Laboratoř přípravy optických materiálů a termické analýzy (J. Pejchal, R. Král)

Řešitelský tým: Jan Pejchal, Robert Král, Karel Nitsch, Antonín Cihlář, Petra Zemenová, Aleš Bystřický

Zaměření

• Vyhledávání a příprava vhodných materiálů - krystalů, nanostruktur a skel - vysoké kvality a čistoty se zajímavými optickými vlastnostmi, s perspektivou jejich použití jako lasery v blízké IČ oblasti a jako detektory neutronů, gama a RTG záření v průmyslových a lékařských aplikacích.
• Příprava modelových krystalických systémů pro studium mechanismu luminiscence.
• Studium vlastností připravovaných materiálů metodami termické analýzy.

Výzkum a vývoj v oblasti přípravy materiálů

Studované materiály:

• Krystaly halogenidů - chloridy, bromidy a jodidy (čisté i dotované přechodovými kovy a kovy vzácných zemin) alkalické - Na, K, Rb, Cs, olovnaté PbX₂ (X - Cl, Br, I), podvojné alkalicko-olovnaté - KPb₂Cl₅, CsPbCl₃, CsPbBr₃, RbPb₂Cl₅, RbPb₂Br₅
• Krystaly komplexních oxidů - materiály odvozené od hlinitých granátů Lu₃Al₅O₁₂ (LuAG) a perovskitů YAlO₃ (YAP) dopované ionty vzácných zemin, krystaly obsahující lithium.
• Fosfátová skla - podvojné fosforečnany (PO₃)_- alkalických kovů (Li, Na, K, Cs) a kovů vzácných zemin (Y, Ce, Gd, Pr. La) dotovaná ionty vzácných zemin (Ce, Er, Pr, Yb).

Experimentální metody:
Příprava:

• výchozích materiálů vysoké čistoty - chemické metody, zonální rafinace
• krystalů z taveniny Bridgmanovou metodou (Obr. 1d,e,f,h)
• krystalů oxidů z taveniny metodou micro-pulling-down (Obr. 1b)
• fosfátových skel (Obr. 1a)
• krystalů z vysokoteplotních roztoků

Studium a optimalizace podmínek růstu krystalů:

• Studium vlivu stavu taveniny (charakterizované tepelným zpracováním a tepelnou historií taveniny)
• Studium vlivu růstových podmínek, tj. teplotního gradientu v peci a rychlosti posuvu krystalizační nádoby, na výslednou kvalitu krystalů.
• Studium vlivu růstových podmínek na pozici a tvar fázového rozhraní krystal-tavenina přímým pozorováním (Obr. 1g) a vyvoláním koncentračních proužků (Obr. 1c).
• Numerické modelování růstu krystalů vertikální Bridgmanovou metodou (ve spolupráci s RNDr. Ing. J. Hronem Ph.D., MFF UK, Praha, Česká Republika).

Charakterizační metody:

• Charakterizace stavu a podchlazení taveniny měřením elektrického odporu.
• Měření teplotního pole in-situ v růstové ampuli při simulovaném růstu krystalu vertikální Bridgmanovou metodou.

Obr. 1. Připravené ingoty fosfátového skla Er:LiY(PO₃)₄ (růžový ingot) a Ce:LiGd(PO₃)₄ (žlutý ingot) (a) a (b), podélný řez krystalu 0,5%Ag:PbCl₂ zachycený optickým stereomikroskopem s vyvolanými koncentračními proužky (c), monokrystaly nedotovaného PbCl₂ (d) a (h), Yb³⁺:RbPb₂Cl₅ (e) a Cu²⁺:PbCl₂ (f). Zachycené fázové rozhraní krystal-tavenina nedotovaného RbPb₂Br₅ (g) při růstu vertikální Bridgmanovou metodou.

Metoda micro-pulling-down

Metoda micro-pulling-down je unikátní technologie pro růst krystalů z taveniny, která vůbec jako první svého druhu byla zavedena v České Republice a instalována do naší laboratoře v roce 2015. Tato metoda umožňuje připravit ve velmi krátkém čase (v řádu hodin až desítek hodin) monokrystaly oxidů o průměru několika milimetrů (3-5 mm) a délce několika centimetrů. Oproti běžným metodám (Bridgmanova, Czochralského metoda, ad.) má výrazně nižší spotřebu výchozích materiálů a energie, proto je vhodná pro studium vlastností a optimalizaci složení konkrétního materiálového systému. V současné konfiguraci lze připravit materiály s teplotou tání až do 2100°C.

Obr. 2. Aparatura micro-pulling-down T-MPD-OX Akita Seiko Co., Ltd. (a), schéma růstové komory (b) a snímek z CCD kamery zachycující růst krystalu rubínu Al₂O₃ + 0,1 mol% Cr (c).

Na obrázku 2a je zachycena celá aparatura složená z řídící jednotky (vpravo nahoře) a vysokofrekvenčního zdroje (vpravo dole). Vlevo uprostřed je růstová komora s indukční cívkou umístěné v ochranné kleci, pod kterou je tažící mechanismus. Schéma růstové komory tvořené soustavou soustředných trubic z křemenného skla, korundové nebo zirkoniové keramiky a kelímku ze vzácného kovu (Ir, Pt, Mo, ad.) je zobrazeno na obrázku 2b. Indukční cívka obklopující růstovou komoru generuje vysokofrekvenční magnetické pole a zahřívá kelímek. Při růstu krystalu tavenina proudí kapilárou ve dně kelímku ven, kde nastavením růstových podmínek (teplotního gradientu a rychlosti posuvu) dochází k tvorbě fázového rozhraní krystal-tavenina a růstu nové krystalické fáze. Vznikající krystal je vytahován směrem dolů rychlostmi 0.01 – 0.1 mm/min. Teplotní gradient a teplotní pole okolo kelímku je modifikováno keramickým stíněním a přídavným ohřívacím členem ze vzácného kovu. V růstové komoře lze udržovat atmosféru průtokem plynu o zvoleném složení. Obvykle se používají inertní plyny např. N₂ nebo Ar, pro zajištění oxidačních podmínek směs N₂ + O₂ (max 2% kvůli oxidaci Ir kelímku) a pro redukční podmínky Ar + H₂. Proces růstu krystalu je průběžně monitorovaný CCD kamerou, viz obrázek 2c a video níže, kde je zachycen růst krystalu rubínu (Al₂O₃ + 0,1 mol% Cr₂O₃).

Video růstu krystalu rubínu (Al₂O₃ + 0,1 mol% Cr₂O₃) metodou micro-pulling-down.

Výzkum v oblasti termické analýzy

• Termická analýza – kontrola čistoty materiálů, určování fázových přechodů v pevných látkách, sestavování fázových diagramů, určování termických vlastností skel (teploty skelného přechodu, krystalizace, tání), studium kinetiky krystalizace, stanovení viskozity skelných tavenin penetrační metodou.
• Termomikroskopie – studium nukleace a krystalizace skel.

Vybavení laboratoře:

• Zařízení na zonální čištění látek.
• Aparatury pro růst krystalů vertikální Bridgmanovou metodou.
• Aparatura pro růst krystalů metodou micro-pulling-down T-MPD-OX Akita Seiko Co., Ltd. (Obr. 2a).
• Simultánní termický analyzátor Setaram Setsys Evolution 16 pro DTA, DSC, a TG analýzu, teplotní rozsah 25 – 1500 °C.
• Termomechanický analyzátor Setaram Labsys TMA, teplotní rozsah 25 – 1400 °C.
• Aparatura pro termomikroskopii - max. zvětšení 144 x, pracovní teploty od -186 do +600 °C.