本发明涉及激光材料技术领域，尤其涉及一种YSAG基纳米粉体及其制备方法。
背景技术：
激光器根据使用介质的不同，主要分为固体激光器、液体激光器、气体激光器和半导体激光器。固体激光器，尤其是半导体激光泵浦全固态激光器(DPL)，由于其具有体积小、重量轻、结构紧凑、便于携带、维护与操作简单以及输出功率大等优点，自出现以来，一直占据激光器发展的主导地位，逐渐成为光电行业中最具发展前景的领域之一。激光材料对产生激光起决定性的作用，是激光技术发展的核心和基础。因此，对激光材料的研究结果在整个固体激光器的发展中起着决定性作用。多晶透明陶瓷具有高熔点、高热导率、可掺杂浓度高、可制备大尺寸块体，与单晶和玻璃相比在激光材料的应用上具有无可比拟的优势。
钇钪铝石榴石(Y3Sc2Al3O12，YSAG)是在YAG的基础上，由Sc3+部分替换Al3+所形成的新型激光晶体。Sc3+的引入导致晶体晶格膨胀，适合激活离子的高浓度掺杂，可以减弱浓度猝灭现象。
为了获得光学性能优异的透明陶瓷，要求合成高纯、粒径小且分布均匀、团聚弱的纳米粉体。目前，国内外制备纳米粉体主要采用固相合成、共沉淀法、溶胶-凝胶法和燃烧法。溶胶-凝胶法(sol-gel)作为一种湿化学法具有化学组分均匀、高纯度、超细性、制备温度低、节省能源等优点，适合制备短余辉、实现分子级均匀掺杂，工艺相对简单、成本低廉陶瓷粉体材料，然而溶胶-凝胶法合成的纳米粉体存在严重的团聚现象，制约了粉体的应用。
有鉴于此，特提出本发明。
技术实现要素：
(一)要解决的技术问题
针对上述问题，本发明要解决的技术问题是解决现有制备方法无法制得粒径小，分散性好的钇钪铝石榴石基纳米粉体的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种YSAG基纳米粉体的制备方法，包括如下步骤：
(1)、配制Y3+、Al3+、Sc3+、Re13+和Re23+的硝酸盐混合溶液，确保各离子的配比能够得到钇钪铝石榴石，然后加入EDTA和乙二醇，得到制备溶液，所述制备溶液在超声条件下加热，经溶胶-凝胶过程，得到凝胶；
(2)、将所述凝胶放入液氮中冷冻，然后将经冷冻的凝胶进行冷冻干燥，得到干凝胶；
(3)、将所述干凝胶研磨成粉后再进行煅烧，得到钇钪铝石榴石基纳米粉体。
在步骤(1)中，根据要制备的钇钪铝石榴石基纳米粉体中钇钪铝石榴石的化学式确定所用原料试剂的种类及用量，然后配制硝酸盐混合溶液。本发明中制备的钇钪铝石榴石的化学式为：Y3-x-ySc2Al3O12:Re1x,Re2y；其中，
Re1和Re2为稀土元素掺杂剂，并独立地选自由铈、镨、钕、钐、铕、镝、钬、铒、铥、镱组成的组中的任一种，x+y的取值范围为0～0.25。
在步骤(1)中，配制Y3+、Al3+、Sc3+、Re13+和Re23+的硝酸盐混合溶液时，为了确保各离子的配比能够得到钇钪铝石榴石，则在硝酸盐混合溶液中，需要确保Y3+、Al3+、Sc3+、Re13+和Re23+的摩尔比为((3-x-y)*k)：(2)：(3)：(x)：(y)，其中，x+y的取值范围为0～0.25，k的取值范围为0.9～1.1。
优选地，在步骤(1)中，Y3+、Al3+、Sc3+、Re13+和Re23+总的起始浓度为0.8～1.0mol/L。
优选地，在步骤(1)中，所述EDTA与总的金属离子的摩尔比为1：(0.8～1.3)；和/或，
所述乙二醇与总的金属离子的摩尔比为1：(1～5)。
优选地，在步骤(1)中，所述制备溶液在超声条件下加热之前还包括将pH调制至5.5～9.5的步骤，优选的是使用氨水进行调节。
优选地，所述超声的频率为40～60Hz，时间为10～30分钟。
优选地，在步骤(2)中，将所述凝胶放入液氮中冷冻的时间为0.5～30分钟。
进一步优选地，所述冷冻干燥的温度为-40～-70℃，压力为10～15Pa。
在这一步骤中，本发明人意外发现，采用凝胶-冷冻干燥技术，可以显著减少团聚现象，推测可能是该技术以升华的方式使凝胶的溶剂挥发，避免溶剂分子因汽化引起的强毛细收缩作用，从而缓解纳米粉体的团聚现象。而且，本发明人还发现，采用这种技术还能够保持合成材料的原始微观形貌。另外，本发明人还发现，对于水溶剂凝胶，通过对冷冻过程的优化，在水形成冰过程中，氢键的迅速扭曲对粉体前躯体相邻颗粒间-OH基团的交接进行切割，还可以进一步解决纳米粉体团聚的问题，从而得到分散性得到进一步优化的纳米粉体。
优选地，在步骤(3)中，所述煅烧的温度为600～1000℃，时间为2～4h。本发明人发现，经过凝胶-冷冻干燥技术得到的干凝胶，可以在明显较低的温度下煅烧，即可得到粒径小，分布均匀，团聚少，基本呈球状的单分散状态的钇钪铝石榴石基纳米粉体。
本发明还提供了一种钇钪铝石榴石基纳米粉体，所述钇钪铝石榴石的化学式为：Y3-x-ySc2Al3O12:Re1x,Re2y；其中，
Re1和Re2为稀土元素，均选自铈、镨、钕、钐、铕、镝、钬、铒、铥、镱中的任一种，x+y的取值范围为0～0.25。
具体来说：
当x的取值为0且y的取值也为0时，钇钪铝石榴石的化学式为Y3Sc2Al3O12，此时钇钪铝石榴石中没有掺杂稀土元素；
当x的取值为0且y的取值不为0时，此时，钇钪铝石榴石的化学式为Y3-ySc2Al3O12:Re2y；
当x的取值不为0且y的取值为0时，此时，钇钪铝石榴石的化学式为Y3-xSc2Al3O12:Re1x；
最后，还存在x的取值不为0且y的取值不为0的情况，此时，钇钪铝石榴石的化学式为：Y3-x-ySc2Al3O12:Re1x,Re2y。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：
本发明所采用的原料简单易得，操作简便，原料损失少，制备周期短。在制备过程中，通过控制原料的配比，调节初始溶液的浓度，调节pH值，采用凝胶-冷冻干燥技术以及在不同温度下煅烧来控制产品的晶型、形貌以及尺寸，在较低煅烧温度(1000℃)下保温2h得到了粉体粒径小，分布均匀，团聚弱，基本呈球状的单分散钇钪铝石榴石基纳米粉体。
附图说明
图1是本发明实施例一制备得到的样品的SEM图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
注：本本发明实施例中所用的试剂均为分析纯。
实施例一
Y2.88Sc2Al3O12:Er0.12制备方法：
称取5.627g Al(NO3)3·9H2O、1.545g Y2O3、0.521g Sc2O3、0.096g Er2O3，配制得到Al3+、Y3+、Sc3+、Er3+的硝酸盐混合溶液，向这一混合溶液中加入14.613g的EDTA和4.5ml的乙二醇，用去离子水控制溶液总量为150ml。磁力搅拌器加热搅拌，在不断搅拌的情况下用氨水调节体系pH值为8.0。超声环境下75℃恒温水浴中加热蒸发6小时使其成胶，最终获得半透明的凝胶。
将凝胶放入液氮中冷冻10分钟，将冷冻状态下的凝胶转入冷冻干燥机保持-60℃温度和13.5Pa压力环境冷冻干燥12小时，得到干凝胶。
将干凝胶经研磨后再经800℃煅烧3小时，得到Y2.88Sc2Al3O12:Er0.12纳米粉体。
采用美国FEI公司QUANTA FEG250型场发射扫描电镜对所得的样品进行分析，结果表明，粉体形貌基本为球形的单分散状态，粒径小，尺寸在40nm左右，而且分散性良好，团聚弱(参见图1)。
实施例二
Y2.65Sc2Al3O12:Er0.1,Yb0.25制备方法：
称取11.046g Al(NO3)3·9H2O、2.992g Y2O3、1.354g Sc2O3、0.192g Er2O3、0.493g Yb2O3，配制得到Al3+、Y3+、Sc3+、Er3+、Yb3+的硝酸盐混合溶液。向这一混合溶液中加入24.51g的EDTA和8.9ml的乙二醇，用去离子水控制溶液总量为400ml。磁力搅拌器加热搅拌，在不断搅拌的情况下用氨水调节体系pH值为8.0。超声环境下75℃恒温水浴中加热蒸发8小时使其成胶，最终获得半透明的凝胶。
将凝胶放入液氮中冷冻15分钟，将冷冻状态下凝胶转入冷冻干燥机保持-55℃温度和13.5Pa压力环境冷冻干燥20小时，得到干凝胶。
将干凝胶经研磨后再经800℃煅烧4小时得到样品。
采用美国FEI公司QUANTA FEG250型场发射扫描电镜对样品进行分析，结果表明，粉体形貌基本为球形，尺寸在60nm左右，分散性良好。
实施例三
Y2.88Sc2Al3O12:Er0.12制备方法：
基本步骤同实施例一，不同之处在于：
在步骤(1)中，用氨水将pH调节为5.5；
在步骤(2)中，冷冻干燥的温度旋转零下40℃，压力选择10Pa；
在步骤(3)中，煅烧的温度为600℃，时间为4h。
采用美国FEI公司QUANTA FEG250型场发射扫描电镜对所得的样品进行分析，结果表明，粉体形貌基本为球形，尺寸在40nm左右，分散性良好。
实施例四
Y2.88Sc2Al3O12:Er0.12制备方法：
基本步骤同实施例一，不同之处在于：
在步骤(1)中，用氨水将pH调节为9.5；
在步骤(2)中，冷冻干燥的温度旋转零下70℃，压力选择15Pa；
在步骤(3)中，煅烧的温度为1000℃，时间为2h。
采用美国FEI公司QUANTA FEG250型场发射扫描电镜对所得的样品进行分析，结果发现，粉体形貌基本为球形，尺寸在50nm左右，分散性良好。
实施例五
Y3Sc2Al3O12制备方法：
称取11.046g Al(NO3)3·9H2O、2.992g Y2O3、1.354g Sc2O3，配制得到Al3+、Y3+、Sc3+的硝酸盐混合溶液，向这一混合溶液中加入14.613g的EDTA和4.5ml的乙二醇，用去离子水控制溶液总量为150ml。磁力搅拌器加热搅拌，在不断搅拌的情况下用浓氨水调节体系pH值为8.0。超声环境下75℃恒温水浴中加热蒸发6小时使其成胶，最终获得半透明的凝胶。
将凝胶放入液氮中冷冻10分钟，将冷冻状态下凝胶转入冷冻干燥机保持-60℃温度和13.5Pa压力环境冷冻干燥，得到干凝胶。
将干凝胶经研磨后再经800℃煅烧2小时得到Y2.88Sc2Al3O12:Er0.12纳米粉体。
采用美国FEI公司QUANTA FEG250型场发射扫描电镜对所得的样品进行分析，结果表明，粉体形貌基本为球形，尺寸在40nm左右，分散性良好。
对比例一
采用煅烧法制备掺杂Er和Yb的钇钪铝石榴石基纳米粉体，具体的制备方法如下：
称取11.046g Al(NO3)3·9H2O、2.992g Y2O3、1.354g Sc2O3、0.192g Er2O3、0.493g Yb2O3，配制得到Al3+、Y3+、Sc3+、Er3+、Yb3+的硝酸盐混合溶液，搅拌下，滴加入过量的碳酸氢铵溶液中(浓度为0.5mol/L)，完毕后得胶状沉淀，pH值为8左右。抽滤，蒸馏水洗2次，无水乙醇洗2次，在110℃干燥4小时，研磨，过筛，然后放在高温炉中，1200℃煅烧4小时，获得掺铒YSAG基粉体。
采用美国FEI公司QUANTA FEG250型场发射扫描电镜对所得的样品进行分析，结果表明，制得的粉体粒径在50nm左右，但是分散性很差，团聚情况严重。
对比例二
本对比例的制备方法基本上同实施例一相同，区别在于，在本对比例的制备方法中，没有进行冷冻干燥，将凝胶放入液氮后冷冻，将冷冻后的凝胶直接进行煅烧。
采用美国FEI公司QUANTA FEG250型场发射扫描电镜对所得的样品进行分析，结果表明，制得的粉体粒径在80nm左右，分散性很差，团聚情况严重。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。