铽和钬共掺GBZT磁光玻璃及其制备方法

本发明属于磁光玻璃领域，涉及一种铽和钬共掺gbzt磁光玻璃及其制备方法。

背景技术：

1、磁光效应包括法拉第效应、塞曼效应、磁光克尔效应和磁致线双折射效应。其中法拉第效应是指一束线偏振光沿着外加磁场方向或磁化强度矢量方向通过置于磁场中的磁光介质时，透射光的偏振方向相对于入射光的偏振方向转过一定的角度θ的现象。

2、磁光材料是一种兼具光学与磁学性能的功能性材料，磁光材料包括磁光晶体和磁光玻璃。与磁光晶体相比，磁光玻璃的优势较多：(1)制备玻璃工艺简单，加工技术成熟，价格相对较低；(2)生长周期短，可进行大批次生产；(3)玻璃组分不固定，具有更大灵活性，可以制备出符合应用的磁光玻璃。因此透明度高的磁光玻璃成为了近年来磁光材料的研究热点。磁光玻璃分为稀土离子掺杂的顺磁性磁光玻璃和过渡金属离子掺杂的逆磁性磁光玻璃两种。顺磁性磁光玻璃由于稀土离子最外层的5s和5p电子壳层处于饱和状态，具有屏蔽作用，因此玻璃顺磁性较强。在外加磁场作用下，电子发生4fn→4fn-15d迁移，能级分裂不均产生磁矩使玻璃显出顺磁性。含有最外层电子结构处于饱和状态离子的玻璃，例如ca2+、ba2+、pb2+、si4+、na+、ge2+、sn2+、as3+、sb2+、bi3+等(这些离子通常半径大外层电子易极化)，这些玻璃在外加磁场的作用下显示出逆磁性。

3、磁光玻璃磁光效应的强弱通过费尔德常数绝对值的大小来表征，费尔德常数绝对值越大，磁光性能越强。因此，提高费尔德常数绝对值是提高磁光性能的有效手段。可通过调节玻璃基质增大稀土掺杂含量，也可选择多种提供磁光性能的稀土元素进行共掺，以提高费尔德常数从而增强磁光性能。因此，磁光玻璃无论是在磁光功能器件方面，还是在光电材料和激光技术等领域，比如磁光开关、光纤电流传感器、磁光隔离器和激光光强稳定元件等均呈现着更加广阔的应用前景。

4、然而目前国内外使用较多的为al2o3-b2o3-sio2玻璃体系，但该玻璃体系稀土掺杂量有限，获得的玻璃磁光性能无法满足市场需求。因此，制备玻璃形成状态较好、可见光范围内透过率较高且具有较大verdet常数的顺磁性磁光玻璃十分重要。

技术实现思路

1、本发明的发明目的在于提供一种制备工艺简单、稀土氧化铽含量高、成玻性能优良，在可见光范围内透过率较高，法拉第效应明显，费尔德常数大的铽和钬共掺gbzt磁光玻璃及其制备方法。gbzt中g代表(ga2o3)b代表(b2o3)z代表(zno)t代表(tio2)。

2、实现本发明目的的技术方案为：

3、本发明的第一方面是提供了一种铽和钬共掺gbzt磁光玻璃，其组分及摩尔比为：

4、ga2o3：b2o3：zno：tio2：tb2o3：ho2o3：sb2o3＝3～7：35～55：1～5：1～5：25～40：0.5～2：0.3～0.7。

5、

6、优选地，其组分及摩尔比为：ga2o3：b2o3：zno：tio2：tb2o3：ho2o3：sb2o3＝5：50：3：2：40：1：0.5。

7、在上述组分中，ga2o3由优级纯的氧化镓引入，会吸引部分网络外部的阳离子从而会降低玻璃的析晶倾向；b2o3由化学纯的h3bo3引入，在熔融过程中会生成b2o3，常以[bo3]和[bo4]结构单元存在于玻璃网络中，此外b2o3可以降低玻璃的膨胀系数，提高玻璃的折射率，改善玻璃的光泽以及提高玻璃的机械性能；zno、tio2、tb4o7、ho2o3和sb2o3分别由分析纯的氧化锌、二氧化钛、氧化铽、氧化钬和氧化锑引入，其中，zno常以[zno6]和[zno4]存在于玻璃网络中，zno可以提高玻璃的化学稳定性、热稳定性和折射率；tio2常以[tio6]和[tio4]存在于玻璃网络中，有利于提高玻璃的折射率和化学稳定性；tb4o7和ho2o3作为稀土氧化物，由于基态4fn存在孤对电子，容易发生4fn-15d层的跃迁，在外加磁场的作用下可以提高玻璃的磁光性能；sb2o3作为一种澄清剂，可以降低玻璃的粘度以及降低玻璃内部形成气泡的倾向。

8、本发明中，由于zno和tio2禁带宽度相当，因此二者之间具有协同作用，可以提高玻璃的综合性能并增加稀土的掺杂量；tb4o7和ho2o3容易发生4fn-15d层的跃迁，ho3+进入十二面体格位后会引起了晶格的变化，造成了晶体场劈裂；同时ho3+和tb3+之间存在超交换作用，两者共同作用导致了铽和钬共掺gbzt磁光玻璃有较好的磁光性能。

9、本发明的第二方面是提供了上述铽和钬共掺gbzt磁光玻璃的制备方法，步骤如下：

10、1)将ga2o3、h3bo3、zno、tio2、tb4o7、ho2o3和sb2o3按照摩尔比为3～7：35～55：1～5：1～5：25～40：0.5～2：0.3～0.7混合，并置于研钵中混合10min～20min后形成配合料；

11、2)将配合料放入刚玉坩埚并在1400～1600℃下的高温炉中熔化1～1.5h得到玻璃液；

12、3)将所得玻璃液倒在已经预热好的模具上成型；

13、4)将成型后的玻璃样品在500～700℃下的马弗炉中退火1～3h后随炉降温，得到gbzt磁光玻璃。

14、步骤2)优选，高温炉内温度为1500℃，熔化1h。

15、步骤4)优选，马弗炉内温度为600℃，退火2h。

16、本发明的优点和有益效果：

17、本发明通过高温熔融法制备了铽和钬共掺gbzt磁光玻璃，所制备的磁光玻璃稀土氧化铽含量高，成玻性能优良，在可见光范围内透过率较高，法拉第效应明显且费尔德常数大。

技术特征：

1.一种铽和钬共掺gbzt磁光玻璃，其特征在于，其组分及摩尔比为：

2.根据权利要求1所述的铽和钬共掺gbzt磁光玻璃，其特征在于，其组分及摩尔比为：ga2o3：b2o3：zno：tio2：tb2o3：ho2o3：sb2o3＝5：50：3：2：40：1：0.5。

3.根据权利要求1所述的铽和钬共掺gbzt磁光玻璃的制备方法，其特征在于，

4.根据权利要求3所述的铽和钬共掺gbzt磁光玻璃的制备方法，其特征在于，高温炉内温度为1500℃，熔化1h。

5.根据权利要求3所述的铽和钬共掺gbzt磁光玻璃的制备方法，其特征在于，马弗炉内温度为600℃，退火2h。

技术总结
本发明属于磁光玻璃领域，涉及一种铽和钬共掺GBZT磁光玻璃及其制备方法，磁光玻璃组分及摩尔比为：Ga<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;：B<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;：ZnO：TiO<subgt;2</subgt;：Tb<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;：Ho<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;：Sb<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;＝3～7：35～55：1～5：1～5：25～40：0.5～2：0.3～0.7。所制备的磁光玻璃制备工艺简单，稀土氧化铽含量高，成玻性能优良，在可见光范围内透过率较高，法拉第效应明显且费尔德常数大。

技术研发人员：朱忠丽,李娜,刘炳燕
受保护的技术使用者：长春理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13