Granada de alumínio lutécio - Lutetium aluminium garnet
O lutécio-granada de alumínio (comumente abreviado como LuAG , fórmula molecular Al 5 Lu 3 O 12 ) é um composto inorgânico com uma estrutura cristalina única, conhecida principalmente por seu uso em dispositivos a laser de alta eficiência . LuAG também é útil na síntese de cerâmicas transparentes .
LuAG é um cristal cintilante dopável que demonstrará luminescência após excitação . Os cristais cintilantes são selecionados para alta perfeição estrutural, alta densidade e alto número atômico efetivo. LuAG é particularmente preferido em relação a outros cristais por sua alta densidade e condutividade térmica . O LuAG tem uma constante de rede relativamente pequena em comparação com as outras granadas de terras raras , o que resulta em uma densidade mais alta, produzindo um campo de cristal com larguras de linha mais estreitas e maior divisão de nível de energia na absorção e emissão. Essas propriedades o tornam um excelente hospedeiro para íons ativos como Yb, Tm, Er e Ho empregados em lasers de estado sólido com bombeamento de diodo . A densidade do cristal de lutécio é maior do que a de outros metais, como o ítrio , o que significa que as propriedades do cristal não mudam com a adição de íons dopantes . Pode ser especialmente útil para detecção e quantificação de partículas de alta energia devido à sua densidade e estabilidade térmica. Essa alta temperatura de fusão, além da falta de disponibilidade de lutécio, tornou esse cristal menos usado do que seus companheiros granadas, apesar de suas propriedades físicas favoráveis.
Propriedades físicas e estrutura
A granada de lutécio e alumínio, com a fórmula molecular Al 5 Lu 3 O 12, possui uma estrutura cristalina cúbica complexa. A célula unitária contém 24 átomos de lutécio em c sítios, 96 átomos de oxigénio em h locais, e alumínio em 16 de sítios e 24 d locais.
A massa do íon lutécio é mais próxima dos lantanídeos ativos a laser que são usados para dopagem, o que significa que a condutividade térmica não é alterada como seria em outras estruturas de granada em níveis mais altos de dopagem. Além disso, o raio do cristal do lutécio limita as alterações observadas na estrutura do cristal com a presença de dopagem.
| Fórmula química | Al 5 Lu 3 O 12 |
|---|---|
| Estrutura de cristal | Cúbico |
| Peso molecular | 851,81 g / mol |
| Densidade | 6,71 g / cm ^ 3 |
| Ponto de fusão | 1980 ˚C |
| Calor específico | 0,419 J / gK |
Síntese
A granada de lutécio de alumínio é um cristal artificial que pode ser cultivado usando uma técnica desenvolvida há cerca de um século, o processo de crescimento de Czochralski . Este método permite a formação de cilindros de cristal único de vários cintiladores. O método é utilizado para o crescimento de semicondutores, óxidos, fluoretos e cristais de haleto, além de cristais de metal.
O processo de crescimento do LuAG é relativamente simples devido à sua estrutura cristalográfica e propriedades físico-químicas. No entanto, devido à estabilidade térmica dos materiais, esse crescimento requer um aparelho que pode gerenciar uma alta fonte de alimentação e temperaturas de até 2500 ˚C.
O crescimento hidrotérmico de granadas tem sido registrado desde 1960 e agora foi demonstrado para o LuAG como uma técnica alternativa ao método de fusão tradicional empregado no passado. Este método permite que os cristais cresçam em temperaturas mais baixas, limitando os defeitos induzidos termicamente que resultam em expansões de cristal opticamente inútil.
Este método foi empregado sem a utilização da semente LuAG devido à sua indisponibilidade e custo. Em vez disso, o crescimento foi realizado usando cristais de granada de ítrio e alumínio com uma incompatibilidade de rede mínima de 0,6%. O crescimento foi feito usando óxido de lutécio (III) em pó e safira esmagada com mineralizador de bicarbonato de potássio 2M com gradiente térmico de 610 - 640 ˚C.
Formulários
O processo de laser envolvendo cristais de granada de alumínio é realizado pelos átomos dopantes, geralmente metais de terras raras, que tomam o lugar de alguns átomos do metal original na estrutura do cristal (neste caso, lutécio). O papel dos átomos não substituídos de lutécio, alumínio e oxigênio funcionam como suporte para os íons dopantes.