Sr3Tb（2BO3）4晶體生長原料的合成與表征

茹晶晶，陳巧平，游東宏，謝鴻芳

（寧德師范學(xué)院化學(xué)系，福建寧德 352100）

Sr3Tb（2BO3）4晶體生長原料的合成與表征

茹晶晶，陳巧平，游東宏，謝鴻芳

（寧德師范學(xué)院化學(xué)系，福建寧德 352100）

通過熱重分析確定Sr3Tb2（BO3）4多晶原料的燒結(jié)工藝，并通過紅外、XRD、磁化率等對合成出的多晶原料進(jìn)行表征。結(jié)果表明，Sr3Tb2（BO3）4多晶原料為順磁性，有可能成為紫外和可見光波段的磁光材料。

多晶原料；紅外光譜；熱重分析；磁化率

磁光材料是一種重要的光信息功能材料［1］。磁光材料及其器件是以法拉第旋轉(zhuǎn)的原理為主，作為光調(diào)制器、光隔離器、環(huán)行器、相移器、磁光開關(guān)等器件中的核心材料，在光纖通信、光學(xué)信息處理技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。并在此基礎(chǔ)上，已拓展到磁泡存儲、激光陀螺、磁光傳感、光計(jì)算和光雷達(dá)等更為高端的技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。由此可見，新型磁光材料的研究開發(fā)，將有力地促進(jìn)信息科技的不斷發(fā)展和提升我國的科技實(shí)力。

摻稀土的硼酸鹽晶體作為磁光材料已進(jìn)入科學(xué)家的視野。研究結(jié)果表明［2-6］，在硼酸鹽晶體的陰離子基團(tuán)中，硼原子與氧形成的最基本的結(jié)構(gòu)基團(tuán)為BO3和BO4，利用氧原子具有橋聯(lián)的特性，在此基礎(chǔ)上可形成種類繁多的結(jié)構(gòu)基團(tuán)。由于硼酸鹽晶體結(jié)構(gòu)的多樣性，為新功能晶體材料探索提供了許多途徑。另外，硼酸鹽晶體中硼氧鍵有利于紫外光透過，使硼酸鹽晶體在紫外和藍(lán)綠光譜應(yīng)用方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。其中新型硼酸鹽系列紫外與深紫外非線性光學(xué)晶體的研究和應(yīng)用的成功，充分顯示出硼酸鹽作為基質(zhì)晶體有透過波段寬的優(yōu)點(diǎn)。也預(yù)示了摻稀土的硼酸鹽晶體有可能成為有應(yīng)用前景的可見光波段磁光晶體候選材料之一。本文合成了用于生長Sr3Tb2（BO3）4晶體所需的多晶原料，并對其進(jìn)行相應(yīng)的表征。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

WQF-300型傅立葉變換紅外光譜儀，美國尼高力公司；CPT-I型古埃磁天平；RigakuD/max-3c型X-Pert-MPD多晶粉末衍射儀，日本理學(xué)公司；NETZSCH STA449C差熱分析儀，德國奈馳公司等。

所用藥品為Tb4O7，99.999％光譜純，長春應(yīng)化所；H3BO3，99.8％優(yōu)級純，廣東光華化學(xué)廠有限公司；SrCO3，99.5％分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)劑有限公司。

1.2 固相法合成步驟

稱取物質(zhì)的量比為6∶1∶8的SrCO3，Tb4O7和H3BO3。其中，因?yàn)樵诟邷責(zé)Y(jié)反應(yīng)過程中，H3BO3會有少量的揮發(fā)，所以，稱取的H3BO3量應(yīng)應(yīng)該略高于化學(xué)計(jì)量比，一般過量所需質(zhì)量的3％。稱量好的原料放入剛玉研缽中，加入適量的乙醇，研磨1.5～2h（這樣既可以使反應(yīng)物能更均勻地混合，又可以防止研料過程中塵料飛起污染環(huán)境及影響反應(yīng)物的計(jì)量配比）。研磨后，用紅外燈將乙醇烘干，以防止燒結(jié)過程中殘余的乙醇過多，致使原料燃料，另一方面，也可以避免溫度升高時馬弗爐中乙醇蒸氣濃度過高造成危險(xiǎn)。烘干后的混合料用少量的蒸餾水調(diào)勻后壓片。壓片成形的料盛在剛玉杯中置于馬弗爐內(nèi)燒結(jié)。由熱重—差熱分析結(jié)燒結(jié)工藝為：在200℃時恒溫1～2h，在500℃時恒溫4～6h，在700～750℃恒溫?zé)Y(jié)6h，在900℃恒溫?zé)Y(jié)10h.

將得到的原料按上述步驟再進(jìn)行第2次研磨，烘干，壓片，燒結(jié).

2 結(jié)果與討論

2.1 燒結(jié)工藝的確定

按照化學(xué)計(jì)量比均勻混合少量原料，采用NETZSCH STA449C差熱分析儀對粉末樣品進(jìn)行DSC-TGA熱譜分析。取適量的粉末樣品，置于氧化鋁鍋內(nèi)，在保護(hù)氣N2流速為100.0mL/min環(huán)境中，按照升溫速率為10℃/h進(jìn)行DSC-TGA分析，結(jié)果如圖1所示。

圖1 Sr3Tb2（BO3）4原料反應(yīng)物粉末燒結(jié)后的DSC-TGA譜圖

從上圖可看出，在1 359℃左右有一明顯的吸熱峰，是樣品的熔點(diǎn)峰。說明Sr3Tb2（BO3）4原料一致熔融，可以用提拉法生長。

2.2 合成產(chǎn)物的表征

對固相法所合成的Sr3Tb2（BO3）4原料測試紅外光譜、X-射線粉末衍射，鑒定物質(zhì)的成分以確定用上述方法合成原料的可行性，并測試了原料的磁化率，判斷其磁性。

2.2.1 紅外光譜分析

產(chǎn)物的紅外光譜圖見圖2。

圖2 固相法合成Sr3Tb2（BO3）4原料的紅外譜圖

對燒結(jié)的樣品進(jìn)行紅外光譜分析，結(jié)合文獻(xiàn)［7］的報(bào)道，對各紅外譜峰進(jìn)行歸屬得知：在1 192和1 279cm-1處的峰分別為B-O在BO3中的非對稱和對稱伸縮振動。在736cm-1為B-O在BO3中的面外彎曲振動。在598cm-1為B-O在BO3中的彎曲振動。從紅外譜圖可以看出，所合成的樣品可以作為晶體生長的多晶原料。

2.2.2 X-射線粉末衍射

將合成所得的樣品Sr3Tb2（BO3）4多晶粉末的X-射線衍射圖見圖3。

圖3 Sr3Tb2（BO3）4原料的XRD圖

由于Tb3+離子半徑為92.3pm，Gd3+離子半徑為93.8pm，兩者半徑十分接近，Sr3Tb2（BO3）4與Sr3Gd2（BO3）4晶體屬于異質(zhì)同構(gòu)體。由圖3可以看出，合成的Sr3Tb2（BO3）4多晶原料的X射線衍射圖譜主要衍射峰的位置和強(qiáng)度與同結(jié)構(gòu)的Sr3Gd2（BO3）4文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)的譜圖［8］衍射峰的位置和強(qiáng)度吻合得較好，基本沒有出現(xiàn)其他雜峰。

2.2.3 磁化率的測定

以KCl為標(biāo)準(zhǔn)物（它的磁化率為X＝-39×10-6），改變磁場，對Sr3Tb2（BO3）4多晶原料和鋱鎵石榴石（Tb3Ga5O12，TGG）原料進(jìn)行磁化率的測定，磁場變化范圍為0～40V，見表1。

表1 多晶原料的磁化率

結(jié)果表明，Sr3Tb2（BO3）4多晶原料的磁化率（-1.544×10-3cm3/g）要比TGG原料（-1.144×10-3cm3/g）的大，由此可以推斷，Sr3Tb2（BO3）4晶體有可能具有比TGG更高的磁光優(yōu)值。

3 結(jié)論

通過熱重、紅外光譜和XRD的分析可知，采用固相法合成的Sr3Tb2（BO3）4多晶原料的適宜燒結(jié)工藝為200℃→500℃→750℃→900℃四個階段，這樣合成得到的多晶原料可以用于晶體的生長；通過磁化率的測定，判定所合成的Sr3Tb2（BO3）4多晶原料為順磁性，其Sr3Tb2（BO3）4晶體有可能成為紫外和可見光波段的磁光材料。

［1］劉公強(qiáng)，樂志強(qiáng)，沈德芳.磁光學(xué)［M］.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2001.

［2］Zhang Y，Liu Z B，Zhang L Z，et al.Growth and optical properties of Yb3+-doped Sr3Gd2（BO3）4crystal［J］.Optical Materials，2007，29：543-546.

［3］He M，Wang W Y，Sun Y P，et al.Growth and optical properties of YBa3B9O18：Ce crystals［J］.Journal of Crystal Growth，2007，307（2）：427-431.

［4］He M，Chen X L，Sun Y D，et al.YBa3B9O18：a promising scintillation crysta［J］.Crystal Growth and Design，2007，7（2）：199-201.

［5］Li X Z，Wang C，ChenX L，et al.Syntheses，thermal stability，and structure determination of the novel lsostructural RBa3B9O18（R＝Y(jié)，Pr，Nd，Sm，Eu，Gd，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Yb）［J］.Inorg Chem，2004，43：8555-8560.

［6］Zhou G Q，Xu J，Chen X D，et al.Growth and spectrum of a novel birefringent α-BaB2O4crystal［J］.Journal of Crystal Growth，1998，191：517-519.

［7］李紅娟.新型過渡金屬硼酸鹽的合成、表征及晶體結(jié)構(gòu)［D］.西安：陜西師范大學(xué)，2007.

［8］Palkina K K，Kuznetsov V G，Dzhurinskii B F，et al.X-Ray iffractian results and space group of the mixed borates Pr2Sr3（BO3）4，Gd2Sr3（BO3）4，La2B2（BO3）4and La2B2（BO3）4［J］.Russ J Lnorg Chem，1972，17：341-343.

〔編輯 楊德兵〕

Synthesis and Charcterization of Sr3Tb2（BO3）4Polycrystalline Materials

RU Jing-jing，CHEN Qiao-ping，YOU Dong-hong，XIE Hong-fang
（Department of Chemistry，Ningde Teachers College，Ningde Fujian，352100）

The sintering methods were decided by DSC-TGA curve.XRD，infrared spectrum and magnetic susceptibility were used to analyze the compositions of Sr3Tb2（BO3）4polycrystalline materials.The results show that the Sr3Tb2（BO3）4polycrystalline material is paramagnetism，and it may be magneto-optical material in UV and visible band.

polycrystalline material；infrared spectrum；DSC-TGA analysis；magnetic susceptibility

O 782

A

1674-0874（2011）01-0045-03

2010-11-22

寧德師范學(xué)院引進(jìn)人才資助項(xiàng)目［2009Y025］

茹晶晶（1983-），女，河南新鄉(xiāng)人，碩士，實(shí)驗(yàn)師，研究方向：光電子晶體材料。

book=47,ebook=52