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红外材料及器件实验室
新型红外Ga-Sb-S硫系玻璃光学及物理性能研究
李戈,张腾宇,徐铁峰,戴世勋,聂秋华,焦清*
宁波大学红外材料及器件实验室,浙江,宁波315211
Email:
jiaoqing@,Tel.:
15888106585
简介:
①Ga-Sb-S硫系玻璃具有优良的红外透过能力,是制作光学器件的重要材料;
②Ga-Sb-S硫系玻璃还有较好的化学稳定性和热稳定性,成玻能力较强,以及高非线性特性等特点,适合制造红外光学器件;
③本文研究了不同阳离子Ga/Sb比例下Ga-Sb-S玻璃的光学和物理特性。
实验过程
①玻璃样品组分设计:
GaxSb40-xS60(x=4,6,8,10,12mol%)系列玻璃。
②过程:
将称量好的玻璃抽真空至10-3Pa量级,然后将其放入炉中高温熔制,最后淬冷并退火。
③测试:
可见光与红外吸收透过光谱、密度、拉曼等。
物理及热学性能测试
表1样品的组分设计与密度
序号
组分(mol%)
密度(g/cm3)
Tg(℃)
1
Ga4Sb36S60
4.133
225
2
Ga6Sb34S60
4.083
230
3
Ga8Sb32S60
4.082
239
4
Ga10Sb30S60
4.038
244
5
Ga12Sb28S60
4.019
265
采用排水失重法(利用阿基米德原理)来测量玻璃样品的密度,其精度为±0.001g/cm3。
l其中图谱都表现为硫系非晶态物质典型特征,即3个宽的衍射包;
l没有出现尖锐的析晶峰,没有出现明显的晶相,说明这批样品是非晶态主体物质。
图1样品的XRD
吸收光谱截止边与带隙分析
由Tauc公式计算带隙
(1.1)
图2Ga-Sb-S玻璃样品的近红外吸收截止边
图3(a)玻璃样品(α·hω)2与hω的关系(插图为Eopt与Ga含量的关系);
(b)玻璃样品(α·hω)1/2与hω的关系(插图为Eopt与Ga含量的关系)
红外光谱透射
图4(a)Ga-Sb-S玻璃样品的红外透过光谱;(b)长波长吸收截止边
表2Ga-Sb-S玻璃样品的透过范围
序号
组分(mol%)
透过范围(μm)
1
Ga4Sb36S60
0.753~13.235
2
Ga6Sb34S60
0.732~13.090
3
Ga8Sb32S60
0.724~12.865
4
Ga10Sb30S60
0.713~12.732
5
Ga12Sb28S60
0.703~12.673
拉曼散射光谱
图5(a)玻璃样品的拉曼光谱;(b)部分同组分材料的拉曼散射光谱图
根据分子振动理论,玻璃材料中结构基团振动频率υ取决于结构网络的多面体中核心离子与近邻离子之间的键常数K和折合质量μ,其关系为:
(1.2)
因此,Ga的引入会使振动频率增大(Ga-S键的间常数大于Ga-Sb键)。
结论
1)随着Ga元素含量的增加,玻璃样品密度随之略有下降。
因为玻璃的密度由其组分的相对原子质量决定,Ga(31)的相对原子质量比Sb(51)的相对原子质量小。
随着Ga的增加,Sb含量减少,玻璃组分的摩尔质量减少,导致玻璃样品密度随之减小。
2)Ga-Sb-S硫系玻璃在远红外的最高透过率达到60%,并且透过范围较宽,红外截止波长都达到12um左右。
Ga含量的增加,价带变得更低,而导带受影响基本不大,从而导致玻璃网络中价带整体降低,使得带隙变大,短波截止边发生蓝移,同时使玻璃中的结构缺陷也得到进一步的改善。
3)在拉曼光谱中,随着Ga元素含量的增加和Sb元素的减少,由Sb-S结构振动引起的55.7cm-1和138cm-1处的谱峰会随着Sb元素所占的比例减少而下降。
而295cm-1处由[SbS3]三角锥的υ1振动模式和[GaS4]的振动合成的的谱峰除了下降还向高波数方向移动。
这是因为[SbS3]三角锥在295cm-1处的振动强度比[GaS4]大而振动频率比[GaS4]低。
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