Оптимизировано производство оптических керамик для микроэлектроники

Ученые из России и Украины усовершенствовали технологию высокоскоростного спекания оптических керамик, активных сред, генерирующих лазерное излучение в ближней инфракрасной области. Системы на их основе могут использоваться в микроэлектронике и медицине. Результаты работы опубликованы в журнале Optical Materials.

Микролазеры с диодной накачкой на основе нанокерамик Nd³⁺:YAG обладают короткой длительностью импульсов генерации, высокой пиковой мощностью и малыми размерами. Это делает их актуальными для дальнометрии, телекоммуникаций, космической техники, промышленности и медицины. Ученые из ДВФУ совместно с коллегами из Института монокристаллов НАНУ, Единой геофизической службы РАН, Института химии и Института автоматики и процессов управления ДВО РАН повысили оптическое качество экспериментальных керамических материалов до уровня мировых разработок и коммерческих аналогов. Ученые совместили стадии твердофазного синтеза структуры Nd³⁺:YAG из исходных оксидов Nd₂O₃, Y₂O₃, Al₂O₃ и ее искрового плазменного спекания (ИПС).

«Особенность технологии ИПС в том, что керамика в процессе спекания загрязняется углеродсодержащими примесями от графитовых деталей установки. Например, на их основе могут формироваться новые химические соединения в стеклообразном и/или кристаллическом состоянии, газовые примеси и т. д. Нежелательные включения могут катастрофически снижать прозрачность оптических материалов и приводить к деградации их механических характеристик. Основной нашей задачей было минимизировать или полностью исключить формирование таких примесей», — объясняет соавтор работы, младший научный сотрудник НОЦ «Передовые керамические материалы» Политехнического института ДВФУ Анастасия Ворновских.

Благодаря ИПС общая продолжительность консолидации оптических керамик RE³⁺:YAG сократилась в 10–100 раз. За счет сверхбыстрого спекания сохраняется наноразмерность зеренной структуры керамик, что обеспечивает высокую прозрачность по сравнению с крупнозернистыми аналогами. Также ученые значительно улучшили твердость, вязкость разрушения и пластичность материала.

Ключевые параметры спекания зависят от углеродного загрязнения. В случае подавления углеродного загрязнения технология ИПС приобретает множество преимуществ в сравнении с традиционными технологиями спекания. С помощью высокоточной рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии исследователи впервые зафиксировали начальный этап карбидизации при ИПС оптических материалов, описали его природу и механизм. В результате была синтезирована экспериментальная высоколегированная оптическая керамика 4 ат.% Nd³⁺:YAG со светопропусканием примерно в 87% от теоретического, а также микротвердостью 13.2 ГПа при среднем размере зерна 740 нм. Авторам удалось в три раза повысить уровень легирования структуры граната ионами неодима, сохранив нанозеренную структуру материала с высокими механическими характеристиками.