Неорганические материалы, 2022, T. 58, № 3, стр. 302-308

Влияние частичного замещения галлия алюминием на свойства кристаллов гадолиний-алюминий-галлиевого граната

В. М. Касимова 1*, Н. С. Козлова 1, О. А. Бузанов 2, Е. В. Забелина 1, А. В. Таргонский 34, А. В. Рогачев 3

1 Национальный исследовательский технологический университет “МИСиС”
119049 Москва, Ленинский пр., 4, стр. 1, Россия

2 АО “Фомос-Материалы”
107023 Москва, ул. Буженинова, 16, Россия

3 Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”
123182 Москва, пл. Академика Курчатова, 1, Россия

4 Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова, ФНИЦ “Кристаллография и фотоника” Российской академии наук
119333 Москва, Ленинский пр., 59, Россия

* E-mail: kasimova.vm@misis.ru

Поступила в редакцию 09.07.2021
После доработки 08.12.2021
Принята к публикации 20.12.2021

Аннотация

Исследованы оптические свойства и микротвердость кристаллов гадолиний-алюминий-галлиевых гранатов с частичным замещением галлия на алюминий: Gd3Al2Ga3O12 (Al : Ga = 2 : 3) и Gd3Al3Ga2O12 (Al : Ga = 3 : 2), а также кристаллов Gd3Al2Ga3O12:Сe (Al : Ga = 2 : 3), легированных церием. Установлено влияние соотношения Al : Ga и легирования церием на показатель ослабления света и оптическую ширину запрещенной зоны. На основе данных XANES-спектроскопии оценена степень окисления церия в кристалле Gd3Al2Ga3O12:Ce3+.

Ключевые слова: сцинтиллятор, степень окисления церия, синхротронное излучение, показатель ослабления, оптическая ширина запрещенной зоны, микротвердость по Виккерсу

Список литературы

  1. Nikl M., Kamada K., Kurosawa S., Yokota Y., Yoshikawa A., Pejchal J., Babin V. Luminescence and Scintillation Mechanism in Ce3+ and Pr3+ Doped (Lu,Y,Gd)3(Ga,Al)5O12 Single Crystal Scintillators // Phys. Status Solidi C. 2013. V. 10. № 2. P. 172–175. https://doi.org/10.1002/pssc.201200499

  2. Nikl M., Yoshikawa A. Recent R&D Trends in Inorganic Single Crystal Scintillator Materials for Radiation Detection // Adv. Opt. Mater. 2015. V. 3. № 4. P. 463–481. https://doi.org/10.1002/adom.201400571

  3. Dorenbos P. Directions in Scintillation Materials Research // Radiation Detectors for Medical Applications. Dordrecht: Springer, 2006. P. 191–207. https://doi.org/10.1007/1-4020-5093-3_8

  4. Lukyashin K.E., Ishchenko A.V. Synthesis and Optical Properties of YAG:Ce Ceramics with a High Cerium Concentration // Russ. J. Inorg. Chem. 2021. V. 66. № 8. P. 1203–1211. https://doi.org/10.1134/S0036023621080131

  5. Kamada K., Yanagida T., Endo T., Tsutumi K., Usuki Y., Nikl M., Fujimoto Yu., Yoshikawa A. 2-inch Size Single Crystal Growth and Scintillation Properties of New Scintillator; Ce:Gd3Al2Ga3O12 // IEEE NSS/MIC. Valencia (23–29 October 2011). 2011. P. 1927–1929.

  6. Alenkov V., Buzanov O., Dosovitskiy G., Egorychev V., Fedorov A., Golutvin A., Guz Yu., Jacobsson R., Korjik M., Kozlov D., Mechinsky V., Schopper A., Semennikov A., Shatalov P., Shmanin E. Irradiation Studies of a Multi-Doped Gd3Al2Ga3O12 // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A. 2019. V. 916. P. 226–229. https://doi.org/10.1016/j.nima.2018.11.101

  7. Lecoq P. Development of New Scintillators for Medical Applications // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A. 2016. V. 809. P. 130. https://doi.org/10.1016/j.nima.2015.08.041

  8. Tyagi M., Sarkar P.S., Singh A.K., Kalyani, Patel T., Bishoi S., Ray N.K., Desai D.G., Gadkari S.C. Development of Neutron Detector Based on Gd3Ga3Al2O12:Ce Single Crystals // IEEE Trans. Nucl. Sci. 2019. V. 66. № 4. P. 724–728. https://doi.org/10.1109/TNS.2019.2900440

  9. Wu Y., Meng F., Li Q., Koschan M., Melcher C.L. Role of Ce4+ in the Scintillation Mechanism of Codoped Gd3Ga3Al2O12:Ce // Phys. Rev. Appl. 2014. V. 2. № 4. P. 044009. https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.2.044009

  10. Wu Y., Luo J., Nikl M., Ren G. Origin of Improved Scintillation Efficiency in (Lu,Gd)3(Ga,Al)5O12:Ce Multicomponent Garnets: an X-ray Absorption Near Edge Spectroscopy Study // APL Mater. 2014. V. 2. P. 012101. https://doi.org/10.1063/1.4854375

  11. Блистанов А.А. Кристаллы квантовой и нелинейной оптики: уч. пособие. М.: МИСиС, 2007. 432 с.

  12. Жариков Е.В., Лаптев В.В., Майер А.А., Осико В.В. Конкуренция катионов в октаэдрических положениях галлиевых гранатов // Изв. АН СССР. Неорган. материалы. 1984. Т. 20. № 6. С. 984–991.

  13. Кузьмичева Г.М., Мухин Б.В., Жариков Е.В., Загуменный А.И., Лутц Г.Б., Чернышов В.В. Дефектообразование в монокристаллах гадолиний-скандий-алюминиевого граната // Неорган. материалы. 1993. Т. 29. № 1. С. 94–99.

  14. Bohacek P., Krasnikov A., Kučera M., Nikl M., Zazubovich S. Defects Creation in the Undoped Gd3(Ga,Al)5O12 Single Crystals and Ce3+-Doped Gd3(Ga,Al)5O12 Single Crystals and Epitaxial Films Under Irradiation in the Gd3+-Related Absorption Bands // Opt. Mater. 2019. V. 88. P. 601–605. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2018.12.033

  15. Bartosiewicz K., Babin V., Kamada K., Yoshikawa A., Nikl M. Energy Migration Processes in Undoped and Ce-Doped Multicomponent Garnet Single Crystal Scintillators // J. Lumin. 2015. V. 166. P. 117–122. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2015.05.015

  16. Kamada K., Kurosawa S., Prusa P., Nikl M., Kochurikhin V.V., Endo T., Tsutumi K., Sato H., Yokota Yu., Sugiyama K., Yoshikawa A. Cz Grown 2-in. Size Ce:Gd3(Al,Ga)5O12 Single Crystal; Relationship between Al, Ga Site Occupancy And Scintillation Properties // Opt. Mater. 2014. V. 36. № 12. P. 1942–1945. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2014.04.001Get rights and content

  17. ГОСТ 3520-92 Методы определения показателей ослабления. Введ. 01.07.1993. М.: Изд-во стандартов, 1992. 19 с.

  18. Kasimova V., Kozlova N., Buzanov O., Zabelina E. Optical Properties of Undoped Oxygen-containing Compounds of Gd3Al2Ga3O12 and Gd3Al3Ga2O12 Single-Crystals // AIP Conf. Proc. 2020. V. 2308. № 1. P. 020003. https://doi.org/10.1063/5.0035129

  19. Забелина Е.В., Козлова Н.С., Гореева Ж.А., Касимова В.М. Многоугловые спектрофотометрические методы отражения для определения коэффициентов преломления // Изв. вузов. МЭТ. 2019. Т. 22. № 3. С. 168–178. https://doi.org/10.17073/1609-3577-2019-3-168-178

  20. Sakthong O., Chewpraditkul W., Wanarak C., Pejchal J., Kamada K., Yoshikawa A., Pazzi G.P., Nikl M. Luminescence and Scintillation Characteristics of Gd3Al2Ga3O12:Ce3+ Scintillators // Opt. Mater. 2013. V. 36. № 2. P. 568–571. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2013.10.033

  21. Marcus P. Corrosion Mechanism in Theory and Practice: third ed. N.Y.: CRC Press, 2012. 930 p.

  22. Hassanien A.S., Akl A.A. Effect of Se Addition on Optical and Electrical Properties of Chalcogenide CdSSe Thin Films // Superlattices Microstruct. 2016. V. 89. P. 153–169. https://doi.org/10.1016/j.spmi.2015.10.044

  23. Esmaili P., Asgary S. Al3+ Doped In2S3 Thin Films: Structural and Optical Characterization // Russ. J. Inorg. Chem. 2021. V. 66. №. 4. P. 621–628. https://doi.org/10.1134/S0036023621040094

  24. Xu Y.N., Ching W.Y., Brickeen B.K. Electronic Structure and Bonding in Garnet Crystals Gd3Sc2Ga3O12, Gd3Sc2Al3O12, and Gd3Ga3O12 Compared to Y3Al3O12 // Phys. Rev. B. 2000. V. 61. № 3. P. 1817. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.61.1817

  25. Козлова Н.С., Бузанов О.А., Касимова В.М., Козлова А.П., Забелина Е.В. Оптические характеристики монокристаллического материала Gd3Al2Ga3O12:Ce // Изв. вузов. МЭТ. 2018. Т. 21. № 1. С. 18–25. https://doi.org/10.17073/1609-3577-2018-1-18-25

  26. Глазов В.М., Вигдорович В.Н. Микротвердость металлов. М.: Гос. науч.-техн. изд-во лит. по черной и цв. металлургии, 1962. 224 с.

  27. Sirdeshmukh D.B., Sirdeshmukh L., Subhadra K.G., Kishan Rao K., Bal Laxman S. Systematic Hardness Measurements on Some Rare Earth Garnet Crystal // Bull. Mater. Sci. 2001. V. 24. № 5. P. 469–473. https://doi.org/10.1007/BF02706717

Дополнительные материалы отсутствуют.