Способ определения моноклинной метастабильной фазы оксида иттрия по сдвигу полос оптического поглощения ионов nd3+ или других редкоземельных элементов в нанокристаллитах

Способ определения моноклинной метастабильной фазы оксида иттрия по сдвигу полос оптического поглощения ионов nd3+ или других редкоземельных элементов в нанокристаллитах

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к оптике и может быть использовано при определении фазового состава нанопорошков из оксида иттрия, содержащих ионы неодима Nd³⁺ или другие редкоземельные элементы.

При спекании оптической керамики из нанопорошка оксида иттрия, полученного лазерным испарением [Osipov V.V., Platonov V.V., Lisenkov V.V. et al. // Phys. Status Solidi. 2013. C. 10. №6. P. 926], формируются прозрачные образцы с неоднородностями. Была предложена идея о присутствии в керамике так называемых «реликтных остатков» в небольшом количестве оксида иттрия в моноклинной фазе наряду с кубической, которые предположительно являются причиной этих неоднородностей. Для определения их оптическим методом поглощения в образцах керамики надо было сравнить спектры поглощения ионов Nd³⁺ или других редкоземельных элементов в моноклинной и кубической фазах. Но в литературе мы не нашли сведений о спектрах пропускании и эмиссии ионов неодима Nd³⁺ или других редкоземельных ионов в оксиде иттрия в моноклинной фазе. Поэтому нами предложен способ определения моноклинной метастабильной фазы оксида иттрия по сдвигу полос оптического поглощения ионов Nd³⁺ или других редкоземельных элементов в нанокристаллитах. Обычно для данной цели используется рентгенофазовый анализ (РФА). Однако он требует больших затрат времени и дорогостоящего оборудования и специальных мер защиты от вредного ионизирующего излучения. В данной заявке предлагается обнаружение моноклинной фазы методом поглощения в ИК-области спектра. Этот метод является более чувствительным. Спектры поглощения ионы неодима Nd³⁺ в оксиде иттрия в кубической и моноклинной фазах заметно отличаются и разрешаются обычным спектрофотометром. Задачей данного изобретения является разработка способа определения моноклинной метастабильной фазы оксида иттрия по сдвигу полос оптического поглощения ионов Nd³⁺ или других редкоземельных элементов в нанокристаллитах.

Оптические способы анализа веществ в настоящее время широко распространены, достаточно подробно описаны в научной литературе и авторизованы во многих патентах [№2064714 РФ от 14.07.1992; №2370752 РФ от 22.08.2008; №2064714 РФ от 14.07.1992 и др.]. К заявляемому изобретению нами выбраны следующие аналоги, представленные ниже.

Применение ИК-спектроскопии для экспресс-способа определения качества лекарственного сырья описано в патенте [Патент на изобретение №2493555 РФ от 21.05.2012]. Способ включает изготовление образцов из лекарственных растений. Полученный образец помещают в прибор и снимают ИК-спектр на Фурье-ИК спектрометре, идентифицируют значения характеристических частот ИК-спектра, соответствующих химическому составу образца, и определяют подлинность лекарственного растительного сырья по табличным спектральным данным для эталонных образцов лекарственного сырья. По наличию функциональных групп в образце, не свойственных химическому составу лекарственных растений и появившихся в результате антропогенного загрязнения, определяют безопасность и качество лекарственного растительного сырья. Однако в этой работе используется поглощение излучения с целью нахождения примесей, но не для выявления фазового состава исследуемого образца.

Способ определения концентрации легирующей примеси в ультрадисперсионном порошке в виде прессованной таблетки приведен в патенте на изобретение №2001115703/28 от 29.09.1999 US. Способ основан на применении рентгеновского излучения, а не излучения в видимом и инфракрасном диапазоне длин волн.

Прототипом настоящего изобретения является способ определения фазового состава образцов с использованием рентгеновского излучения, описанный в [Л.М. Ковба, В.К. Трунов / Рентгенофазовый анализ / Изд. второе, дополненное и переработанное / Издательство МГУ, 1976, стр. 183]. Однако он требует больших затрат времени и характеризуется высоким (более 3%) порогом обнаружения моноклинной фазы на фоне кубической. Главный недостаток - опасность работы с рентгеновским излучением. Работают с этими приборами в специально оборудованном помещении. В связи с этим стоимость анализов достаточно велика. Кроме того, невысока чувствительность определения, используют этот метод, в основном, для анализа достаточно больших концентраций.

Технической задачей является подбор условий и параметров для изготовления образцов из оксида иттрия и снятия спектров поглощения образцов с неодимом (или другими редкоземельными элементами) как в моноклинной, так и в кубической фазах в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном диапазоне длин волн.

Для решения поставленной задачи предлагается способ, в котором оптическое излучение выбирается в диапазоне длин волн 200-1100 нм, направляется на образцы, изготовленные специальном образом с целью определения степени поглощения образцов, которая разная у моноклинной и кубической фаз.

Суть способа заключается в следующем. Для определения степени поглощения излучения изготавливаются образцы из нанопорошка оксида иттрия в моноклинной и кубической фазах в виде таблетки круглой формы диаметром 15 мм и толщиной 200÷600 мкм путем прессования под давлением 50-150 МПа без каких-либо добавок. Образцы толщиной меньше 200 мкм механически непрочные и меньше поглощают излучение, что затрудняет измерение спектра поглощения. А образцы толщиной более 600 мкм практически непрозрачны, так как практически все излучение поглощается материалом образца. Аналогично, нижний предел давления прессования 50 МПа обусловлен слабым поглощением образцов, изготовленных при таком давлении, а верхний предел 150 МПа - хрупкостью образцов. Диаметр образца, равный 15 мм, принципиального значения не имеет и выбран для удобства анализа. Так как большая часть полос поглощения трехвалентного положительного иона неодима или других редкоземельных элементов расположена в ультрафиолетовой, видимой и ближней инфракрасной областях спектра, то нами выбран диапазон длин волн 200-1100 нм.

Для регистрации спектра нанопорошка кубической α-фазы, прессованный моноклинный порошок предварительно подвергался термическому отжигу при 900°C в течение 3-х часов. После этой процедуры нанопорошок переходил в кубическую α-фазу с параметром кристаллической решетки α₀=1.0591 нм и рентгеновской плотностью ρ_c=5,05 г/см³. Затем изготовленные образцы просвечивались излучением длиной волны в диапазоне 200-1100 нм.

Для проверки правильности анализа способом определения моноклинной метастабильной фазы оксида иттрия по сдвигу полос оптического поглощения ионов Nd³⁺ в нанокристаллитах проводился рентгенофазовый анализ нанопорошков с разным содержанием моноклинной и кубической фазы на дифрактометре D8 Discover в медном излучении с графитовым монохроматором на дифрагированном луче.

Отличиями заявляемого изобретения от прототипа являются: применяется излучение в диапазоне длин волн 200-1100 нм, вместо 0,1-10 нм; фазовый состав определяется посредством поглощения излучения исследуемым веществом вместо его рассеяния; излучение в диапазоне длин волн 200-1100 нм не оказывает вредного воздействия на организм человека, как электромагнитное излучение длиной волны 0,1-10 нм; применяется стандартный спектрофотометр, например ShimadzuUV-1700, который по стоимости в десятки раз меньше, чем установка для рентгенофазового анализа. Время измерения спектра поглощения в пределах 816-824 нм составляет не более 2 минут. Все работы по измерению спектра предлагаемым способом проводятся в необорудованном помещении и без защитных пластин из свинца или из других материалов.

Сущность заявляемого изобретения поясняется блок-схемой (фиг. 1) и графиками (фиг. 2), (фиг. 3).

Излучение от источника (1) проходит через образец (2) и регистрируется приемником излучения (3). Далее, изменение сигнала в зависимости интенсивности излучения от длины волны регистрируется спектрофотометром. Спектры поглощения были получены при помощи спектрофотометра ShimadzuUV-1700 в диапазоне 200-1100 нм с шагом сканирования 0,1 нм.

Результаты измерений приведены на фиг. 2 и 3. На фиг. 2 приведена зависимость спектра пропускания моноклинного образца от длины волны в диапазоне 500-1050 нм. А на фиг. 3, для сравнения, показаны спектры поглощения образцов в кубической и моноклинной фазах. Из графиков видно, что максимум полосы поглощения иона неодима Nd³⁺ в моноклинной фазе смещен на 0,5 нм относительно кубической. Корректность этих результатов в диапазоне 3-8% содержания моноклинной фазы проверены рентгенофазовым анализом.

Таким образом, заявляемое изобретение позволило выявить моноклинную фазу оксида иттрия в нанопорошке посредством измерения смещения полос поглощения ионов Nd³⁺. Выявленный спектр полос поглощения трехвалентного положительного иона неодима в нанопорошке из оксида иттрия моноклинной фазы позволяет обнаружить эту фазу и в оптической керамике. Заявляемый способ может быть применен для качественного определения моноклинной фазы не только в оксиде иттрия, но и других соединениях в данной фазе. При этом в качестве поглощающего элемента можно допировать в исследуемое соединение не только неодим, но и остальные редкоземельные элементы. Например, предлагаемый способ нами был опробован на гадолинии и иттербии.

Способ определения моноклинной метастабильной фазы оксида иттрия по сдвигу полос оптического поглощения ионов Nd³⁺ или других редкоземельных элементов в нанокристаллитах оксида иттрия при пропускании через образец излучения, отличающийся тем, что используется излучение в диапазоне длин волн 200-1100 нм, проходящее через образец толщиной 200-600 мкм, изготовленный путем прессования нанопорошка под давлением 50-150 МПа, позволяющее определить наличие кубической и моноклинной фаз оксида иттрия в образце и фиксировать смещение полос в спектре поглощения ионов Nd³⁺ или других редкоземельных элементов моноклинной фазы оксида иттрия относительно кубической.