文摘
激光的作用(532海里的威尔第G)在拉曼测量加热,Bi的部分分解12SiO20.单晶,在这项研究中解决。分解的程度直接取决于激光的功率密度和持续时间治疗,声子注册的拉曼光谱。激光治疗后,AFM测量注册附加小球形岛屿表面上。分析进行辐照和unirradiated样本显示显著的透射光谱的变化,x射线衍射(XRD)模式,费尔德常数,磁光特性和吸收系数。激光辐照后获得的材料可以被描述为特定的纳米复合材料组成的三氧化二铋和硅氧化物nano-objects(维度低于15 nm直径),被安排在一个矩阵的Bi12SiO20.。
1。介绍
软铋矿晶体属于Bi12莫20.组(M = Si、通用电气和Ti)化合物,具有体心立方晶体结构空间群我23日(1]。水晶Bi12SiO20.有参数一个= 1.01067海里,Z= 2(两个相同的动机在单位细胞)。密度泛函理论计算能带Bi的能量1SiO20.3.43 eV (2]。实验测定值较低(3]。这些旋光晶体可以表现出许多强大的影响,例如磁,photo-induced,电光效应。同时,他们拥有许多有趣的特性,如高值的压电、介电和elasto-optic常数,以及高暗电阻(1]。这些晶体,通常大部分晶体,在许多设备广泛应用作为活跃的元素,这样我们光学限制、全息术,空间光调制,光学相位共轭光学光纤传感器、记忆和泡克耳斯细胞(4- - - - - -6]。
激光器在材料加工有很大的应用(7)和他们的角色只是越来越扩大。单晶表面可以产生激光的治疗8),一个薄的表层材料转换与激光束进行交互。这个过程是严格控制激光束的波长和功率,其责任周期,和重复率。最终结果如何修改材料取决于样本,因为所有材料独特的性质,决定如何与激光辐射交互(9,10]。
拉曼光谱是一种建立技术测量当地的材料属性(11]。因此,它非常适合研究相关样品的表面。然而,由于它使用激光激发,可能发生结构性变化造成的样品表面局部加热。在某些情况下,这些修改会导致样品的分解,从而改变了拉曼信号(12,13]。光谱的变化可以在声子线的位置和半角谱的起始物料,以及导致的外观新线路造成的永久性修改示例(中14,15]。
在我们之前的论文(16),我们注册Bi的分解12SiO20.(BSO)单晶由于飞秒激光辐照。通过远红外光谱和AFM测量,三氧化二铋的存在nano-objects表面的样本注册。XRD不能注册这些变化。也不可能建立nano-objects形成之间的控制参数和实验条件,因为样品提前处理。出于同样的原因,它是不可能的,以确定确切的nano-objects相组成。
这项工作的目的是继续调查局部感应加热的影响,增加功率密度的半导体激光拉曼测量期间,Bi12SiO20.单晶。通过这种方式,Bi的当前状态相关的直接结果12SiO20.将提供分解,以及参数可以控制这一过程。互补技术如地理X射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM),紫外线高力传输和磁光学测量将用于获得材料的表征。
2。材料和方法
Czochralski技术应用于Bi成长12SiO20.单晶,更详细地描述Ref。16]。简而言之,MSR 2水晶拉手由Eurotherm控制使用。铂金坩埚被用来包含融化,这是放置在一个铝船zircon-oxide羊毛。晶体生长是发生在空中。Bi2O3和SiO2被用于合成的晶体。原料混合在6:1化学计量比。选择最优拉率范围在5 - 6毫米/小时。融化水动力学的方程被用来计算临界晶体直径,dc= 10毫米,关键的旋转,ωc= 20 rpm。在晶体生长坩埚不旋转。水晶议会在∼50°C / h冷却到室温,晶体生长。晶体在[111]方向生长,没有核心被观察到。最后,晶体切割和抛光。
抛光水晶样本处理使用威尔第G光注入半导体激光器与532 nm波长拉曼实验期间不同辐照时间。
原子力显微镜(AFM)是用来确定地形与NT-MDT NTEGRA的样品。
x射线衍射(XRD)数据测量使用x射线衍射仪(XRD) Rigaku创世纪第四,日本。的PDXL2 v2.0.3.0软件,参照国际中心的衍射的衍射模式可用数据(ICDD) [17),是用于识别和数据分析阶段。
紫外可见透射光谱被收集在200 - 900纳米范围使用优秀的λ4 b紫外可见分光光度计。
准备样品的拉曼光谱得到使用反向散射配置Jobin Yvon T64000光谱仪配备氮冷却CCD探测器。光谱范围的光谱记录80 - 650厘米−1在室温下使用532 nm威尔第G光注入半导体激光器线。
参数,如法拉第旋转,大量吸收和旋光性测定为632.8 nm使用氦氖激光器。这是通过正交偏振检测旋光法(18]。
3所示。结果
3.1。拉曼光谱
拉曼光谱的Bi12SiO20.(BSO)单晶纳米晶体粉末,和薄膜测量和分析过去(19- - - - - -22]。观察到的峰值进行鉴定的基本因素为SiO组分析4四面体,奥比3,和Bi3O4结构片段。我们的Bi的拉曼光谱12SiO20.单晶图所示1(一)。光谱被记录的激光功率密度0.1 mW /μ米2和5 s的测量时间,这并没有导致结构性变化的样本。Bi的光谱12SiO20.展品强烈模式约为87,97,104,128,144,167,176,204,269,322,536厘米−1。正如所料,我们的光谱图1(一)是相同的文献数据(19- - - - - -22]。
(一)
(b)
(c)
Bi的拉曼光谱12SiO20.单晶在不同激光连续记录(0.5 2 mW /能力μ米2)和30年代的记录时间的测量,在同一个地方示例如图1 (b)。注册在图峰的强度1(一)随着激光功率的增加而增加,此外,从激光功率为0.7千瓦/μ米2额外的结构被认为在光谱上约122,235,456,487厘米−1。他们已经明显弱于声子注册,但其强度也随着激光功率的增加而增加,检查结果是相同的激光功率,但测量1年代和60年代的时期。拉曼光谱的Bi12SiO20.单晶的激光功率密度1.5 mW /记录μ米2和不同的录音时间在样品上的不同位置,如图所示1 (c)。很短的1 s测量激发光谱图类似1(一)。记录时间的增加会导致注册图相同的效果1 (b)。解释注册的效果,有必要做更多的实验。
3.2。AFM
图2显示了Bi AFM测量的结果12SiO20.单晶和相同的样本后拉曼测量(如图1 (c))。在图2(一个),我们可以清楚地看到,未经处理的样品的表面很光滑,没有明显的裂缝,可以看到,只有机械抛光的痕迹。数据2 (b)和2 (c)显示样品表面的激光治疗后1.5 mW /μ米2,根据部分中描述的过程3所示。1,两个不同的时间长度的测量(30年代和60年代),分别。Nano-objects,白色的小点的图片,直径大约11 nm(图2 (b))和15 nm(图2 (c))观察图片。在图2 (c)我们看到nano-objects的密度明显高于注册在图2 (b)。
(一)
(b)
(c)
3.3。x射线衍射测量
准备的XRD模式BSO晶体和BSO激光治疗(1.5 mW /μ米2,60年代)呈现在图3。未经处理的BSO单晶x射线衍射模式的光谱(底部)清楚地看到的是,所有峰对应于Bi12SiO20.。结果表明,只有亚硒酸(Bi12SiO20.)阶段存在,它对应于JCPDF卡37 - 0485。相比,激光治疗BSO单晶(上频谱),除了silenite山峰。这些峰值对应于:Bi4O701-074-2352号(JCPDF卡),Bi2O3(00-057-0400,00-051-1161,01-079-6679),和SiO2(01-071-5334)阶段。所有额外的阶段都有不同的符号在图3。
清楚、明晰XRD结果显示局部感应加热的影响与激光功率在Bi12SiO20.单晶的分离新阶段的形式不同的Bi4O7,Bi2O3、SiO2。这些结果解释的出现额外的结构的拉曼光谱强度增加而增加激光功率和测量时间。第二阶段的表象也解释额外的小白点的现象(nano-objects) laser-treated AFM图像的样本。
3.4。紫外可见光谱
在图4(一)传输测量结果BSO样品在紫外可见区域。值得注意的是,对于laser-treated样本在波长550纳米以上,透光率降低了5%左右。确定的价值能隙如我们使用知名Kubelka-Munk理论(例如,看到3]和文献引用)。分析结果如图4 (b)和4 (c)。
(一)
(b)
(c)
未经处理的BSO单晶,一个能隙值2.57 eV。这种能量低于接受带隙能量BSO [3]。这个较小的能量与缺陷相关的中心,分析(23- - - - - -25]。值为2.47 eV是laser-treated获得样本。这样一个简单的模型不能提供一个完整的图片修改的样品,但它可以表明宏观变化,即一个参数,在某种程度上其后果。
3.5。旋光性、法拉第旋转和大量吸收
旋光性和测量法拉第旋转(描述的自由空间的设置26]。指出,重要的光散射在相声样品原因两个渠道的正交偏振检测。因此,双折射晶体取代了沃拉斯顿棱镜耦频道损失的渠道也破坏生态平衡,迫使两个光敏二极管的使用。两个渠道获得,包括光电转换效率是由互阻抗平衡的电阻。
背景光影响消除使用光学斩波器和锁定放大器。激光的偏振不稳定性被偏振棱镜转换为光辐照波动后安装激光。Δ/Σ归一化方法对光线照射波动但引入了另一个问题。也指出,治疗BSO诱发更多的去极化的光比未经处理的。这是部分的结果nano-objects表面的BSO处理。贡献的去极化的光取消减法而不是和导致减少光学活动的结果和法拉第旋转。可以补偿这种效应只有特定的晶体取向。相反的,我们平均结果树不同的晶体取向。研究的结果发表在表1的时候记住散射测量吸收系数使用透镜后水晶光电二极管的光。费尔德常数除以吸收系数获得样品的磁光质量。
4所示。讨论
据我们所知,18)制备技术是用来保证最高质量的样品纯度的限制开始对应组件。在Bi12地理20.(27),激光辐射对光学特性的积极影响是注册只在低质量的材料从开始获得材料。与单晶质量,是不可能改善光学参数。这也是Bi的情况12SiO20.,我们用激光治疗,即我们有几个百分比的变化最大的激光功率。
从数据我们可以解释其他结构1 (b)和1 (c)如下。图2清楚显示nano-objects维度的约15海里非常狭窄的空间分布。很容易从图连接这些nano-objects新的阶段3,注册处理样品。这些新阶段展示他们在拉曼光谱特征。首先,三氧化二铋是已知的四个多态阶段:在室温下稳定,斜方晶系的αbi2O3,三个高温的:β- - - - - -,δ- - - - - -,γbi2O3(28- - - - - -30.]。由于新结构可见即使在相对较低的激光权力,以及XRD在室温下,我们可以得出结论,只有斜方晶系的αbi2O3阶段是礼物。通过这种方式,我们很容易连接额外的结构的拉曼光谱在122厘米左右−1和456厘米−1在这个阶段(31日]。XRD也注册了Bi4O7阶段。此阶段有一个声子在118厘米−1(32),所以这一阶段的影响在声子注册122厘米−1在我们的实验中不排除在外。情况更清晰的声子在486厘米−1。这种声子与Bi-O伸展振动在扭曲的生物有关6以前注册的Bi的单位4O7阶段(33,34]。
另一方面,SiO的多样性2的阶段是更大的35]。然而,我们认为,在我们的案例中,SiO2集群Td对称性在235厘米和对应的拉曼模式−1。此外,实验在463.6厘米−1理论上,在461厘米−1,有一个SiO2声子相同的对称。因此,声子的起源在456厘米−1不能准确地确定,即由于实验结果的强度较弱,很难单独声子的影响的αbi2O3。这个结果是同意裁判。19,20.]。
这样,显然表明,在拉曼激光加热氧化铋氧化物和硅组成的实验产生nano-objects Bi的安排在一个矩阵12SiO20.单晶。这种结构的组成可分为纳米复合材料,因为分散相在毫微米,nano-object的特异性是由相同的材料,或其部分,比如一个矩阵。
我们的研究结果提出了可以解释至少有两方面。首先,它可以表示,作出修改并没有导致改进观察材料的特点。原则上这是真的。但这实际上是预期,因为起始物料,BSO单晶,是获得超纯组件,导致样品的特殊光学质量,因为它的Bi12地理20.晶体(18,27]。
然而,导致部分所做的修改,但几乎控制,基材的分解。创建一个稳定的结构,这使得使用nano-objects健壮的电子产品的前景。即,由于他们非常小的尺寸,纳米材料(1、2、或三维空间不足100海里)不能用于大规模,尤其是long-bearing材料在工程应用中。对于这个长期以来渴望发展大量复合材料将这些纳米材料(如纳米复合材料)利用他们非凡的散装适用的材料属性。最初的想法和原则给出了(36]。最重要的事实是,纳米材料是根本不同的特点相比,大部分材料(37]。在我们看来,这种方式获取特定的纳米复合材料值得关注。
此外,在本文中,再一次证明,这一次直接,在拉曼测量复杂的结构和材料,应该考虑使用的激光功率。它是非常有用的测量拉曼光谱与高激光的权力。频谱更强烈,线条更明显。这同样适用于测量的时间。然而,在这些情况下,观察到的部分分解材料或结构可能发生,从而导致谱线的存在不属于原来的材料,但它们地方和部分分解的结果。这样的结果导致错误的结论。
5。结论
高质量的单晶Bi12SiO20.,参数2.57 eV, 61 rad / Tm的费尔德常数,磁Czochralski rad / T 0.59增长质量的技术。我们使用532 nm的威尔第G光注入半导体激光器,在拉曼实验,修改表面Bi12SiO20.单晶。通过测量与拉曼光谱声子谱,从激光功率密度0.7 mW /μ米2和辐照时间大于1 s,我们注册新结构约为122,235,456,478厘米−1。AFM测量确认Bi12SiO20.晶体表面分解,新成立的三氧化二铋和硅氧化物nano-objects Bi12SiO20.矩阵被发现。这种分解的Bi12SiO20.单晶导致小电和磁特性的变化的基础材料。这种结构的组成可分为纳米复合材料,因为分散相在毫微米,的特异性nano-objects由相同材料或其部分,比如一个矩阵。
数据可用性
合理的请求数据。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项研究是科学基金支持的塞尔维亚共和国批准号7504386,纳米对象的matrix-Self composite-NOOM-SeC。