上海硅酸盐所在铽镓石榴石基磁光陶瓷研究方面取得系列进展

铽镓石榴石（Tb3Ga5O12，TGG）在可见及近红外波段具有较高的Verdet常数、优异的光学性能、高的热导率和激光损伤阈值，上述优点都使TGG成为了光隔离器用的重要磁光材料。TGG单晶在制备过程中会产生氧化镓挥发而影响其晶体质量，且难以获得大尺寸单晶。相较而言，TGG陶瓷可以在较低的烧结温度及多样化的烧结机制下实现透明化，能够有效避免晶体生长中的氧化镓挥发等诸多问题，从而获得高质量的磁光陶瓷。另外陶瓷还具有易于制备大尺寸材料、断裂韧性高、制备周期短等优势。因此，TGG磁光陶瓷具有良好的应用前景。

近日，中国科学院上海硅酸盐研究所李江研究员带领的透明与光功能陶瓷研究课题组在铽镓石榴石基磁光陶瓷研究中取得进展。该团队以共沉淀法合成的1.0at% Ce:TGG纳米粉体为原料，再结合空气烧结及热等静压后处理（HIP）技术制备得到了性能优异的Ce:TGG陶瓷。该陶瓷在1064 nm处的直线透过率达到了81.7%，且在632.8 nm处的Verdet常数达到-143.4 rad·T-1·m-1，比商用TGG晶体提高了5%。相关研究成果发表于国际期刊scripta Materialia上（scripta Mater., 2019, doi: 10.1016/j.scriptamat.2019.10.023），论文第一作者为上海硅酸盐所博士研究生李晓英，通讯作者为李江研究员。该研究工作获得了审稿人的高度评价，审稿人认为“The ceramic optical quality is excellent and the research content can be a supplement for the development of high-performance magneto-optical materials”。

目前国际上仅有日本神岛化学公司制备的TGG磁光陶瓷可以满足高功率激光器用光隔离器的应用要求，但制备细节尚不明确，亟待打破技术壁垒。近年来，李江研究员团队与江苏大学材料学院刘强教授合作开展了关于TGG磁光陶瓷的研究工作，并取得了系列研究成果。该团队自主合成了高质量的TGG纳米粉体，并通过优化合成工艺对粉体的组分、形貌和团聚状态等进行了调控（Opt. Mater., 2019, 90: 26-32；J. Inorg. Mater., 2019, 34(7): 791-796）。优化后的TGG粉体为纯立方相，且具有良好的分散性和烧结活性，适用于后续TGG磁光陶瓷的烧结。考虑到氧化镓的挥发，该团队采用两步烧结法制备了具有优良光学质量和磁光性能的TGG透明陶瓷。该TGG陶瓷在1064 nm处的直线透过率达到了80.3%（接近其理论透过率），且表现出可与单晶（-134 rad·T-1·m-1）相比拟的磁光性能，其在632.8 nm处的Verdet常数约为-136 rad·T-1·m-1。相关研究成果发表于国际期刊Optical Material上（Opt. Mater., 2019, 62: 205-21)，同时这是国内首次报道的以自主合成的TGG粉体为原料所制备的高性能TGG磁光陶瓷。

以上系列研究工作得到中国科学院前沿科学重点研究计划项目（院青年拔尖人才项目）、国家自然科学基金项目、国家重点研发计划项目、中国科学院上海硅酸盐研究所重点学科建设项目等资助。

Ce:TGG磁光陶瓷的实物照片与直线透过率曲线

不同温度制备的TGG磁光陶瓷的实物照片（a）与直线透过率曲线（b）