Для развития лазерной физики, волоконной оптики и фотоники в среднем (2-25 мкм), дальнем (25-100 мкм) инфракрасных диапазонах, а также в терагерцевом частотном (0,1 – 10,0 ТГц) и миллиметровом диапазонах (до 3 мм), которые являются малоосвоенными вследствие недостатка элементной базы, необходимы высокопрозрачные, функциональные материалы, способные пропускать оптическое излучение в широком спектральном диапазоне без окон поглощения, при этом негигроскопичные и способные сохранять свои свойства на открытом воздухе и в более «жестких» условиях ионизирующих излучений. Создание таких материалов, способных сочетать в себе различные функциональные свойства, является актуальной задачей, требующей фундаментальных и прикладных исследований в области влияния структуры и компонентного состава материалов на функциональные свойства. В связи с этим в России и мире активно ведутся поиск и разработка новых материалов, охватывающих широкий спектральный диапазон и обладающих широким набором физических свойств. Оптическая нанокристаллическая керамика является одним из перспективных материалов в области разработки новых функциональных материалов. Высокая степень уплотнения и отсутствия роста нанозерен (ромбическая фаза) приводят к малому рассеиванию на границах зерен и порах, в результате чего достигается высокая прозрачность 65 – 75 % в инфракрасном диапазоне от 0,5 до 47,0– 65,0 мкм в зависимости от состава кубической фазы в широком окне оптического пропускания. Особое внимание привлекают нанокерамики на основе твердых растворов AgHal – TlHal благодаря высокой радиационной стойкости, которая растет с увеличением содержания галогенидов одновалентного таллия. Кроме того, эти материалы прозрачны в терагерцовом и миллиметровом диапазонах, что еще больше расширяет возможности их применений [L. Zhukova, D. Salimgareev, A. Korsakov, N. Yudin, G. Komandin, I. Spektor, A. Lvov, A. Yuzhakova. The optical transparency investigation of crystals based on the AgHal – TlHal solid solutions systems in the terahertz range. Optical Materials. Vol. 113, P. 110870]. Данные материалы обладают низким коэффициентом поглощения от 10^-5 до 10^-3 см^-1 и оптическими потерями 0,1 – 0,5 дБ/м (в волокнах). Из них возможно получение высокопрозрачной в видимом, инфракрасном, терагерцовом и миллиметровом диапазонах гетерофазной керамики на основе нескольких систем, соединяющих различные кристаллические фазы двух и более твердых растворов регулируемого состава, обладающих различными физико-химическими свойствами. Использование сложного состава таких композитных сред позволяет сочетать в одном материале несколько функциональных свойств, например, высокую прозрачность в широком диапазоне с технологичностью обработки. Для разработки таких материалов необходимо проводить термодинамические исследования диаграмм плавкости, определять гомогенные и гетерогенные области существования твердых растворов при комнатных температурах, на основе которых формируется структура кристаллов и керамики. При этом необходимо обеспечить экологическую чистоту и безотходность разрабатываемых комплексных технологий.
Керамика на основе твердых растворов систем TlBr0.46I0.54 – AgI, TlCl0.7Br0.3 – AgI; AgСl – Ag0,85Tl0,15Br0,92I0,08; AgСl – Ag0,85Tl0,15Br0,85I0,15 является перспективным материалом, который способен обеспечить все необходимые функциональные свойства, поскольку она прозрачна в широком спектральном диапазоне, с малыми оптическими потерями и высокими фотостойкостью, пластичностью и гибкостью, технологичностью изготовления. Это делает керамику уникальным материалом, востребованными для лазерной физики, инфракрасной и терагерцовой оптики, а также фотоники и оптоэлектроники. Для проведения фундаментальных исследований свойств керамики будет произведено термодинамическое исследование и построение представленных выше диаграмм плавкости твердых растворов галогенидов серебра и одновалентного таллия, установлено влияние пошагового увеличения AgCl и AgI в прочих твердых растворах на формирование их электронной структуры и оптических свойств. Комплексный подход к изучению свойств новых систем позволяет охватить широкий спектр исследований от синтеза высокочистой шихты и построения фазовых диаграмм до получения как фундаментальной информации о новой материальной базе, так и новых оптических изделий таких как пластинки, окна, световоды на основе керамики, а также изучения их свойств.
Ожидаемые результаты. В рамках проекта будет проведен синтез твердых растворов на основе систем TlBr0.46I0.54 – AgI, TlCl0.7Br0.3 – AgI; AgСl – Ag0,85Tl0,15Br0,92I0,08; AgСl – Ag0,85Tl0,15Br0,85I0,15. Будут проведены исследования диаграммы плавкости указанных выше систем. На основе полученных диаграмм плавкости разрабатывается технология, включающая производство высокочистого сырья, получение керамики и изготовление на ее основе оптических изделий методом горячего прессования, а методом экструзии – инфракрасных световодов. Для всех полученных материалов будет проведено комплексное исследование оптических, механических, электрических и теплофизических свойств. Полученные результаты станут основой для проектирования и создания различных оптических и оптико-электронных компонентов, работающих в широком спектральном диапазоне. Практическое использование разработанных материалов и оптических изделий на их основе, в том числе световодов, перспективно для лазерной физики, энергетики, волоконной оптики и фотоники, оптоэлектроники, а также различных применений в спектроскопии, оптическом приборостроении, оптических датчиках широкого спектра действия от волоконных термометров до эндоскопов.
Ожидаемые результаты по итогам выполнения проекта:
1. Будут исследованы диаграммы плавкости систем TlBr0.46I0.54 – AgI, TlCl0.7Br0.3 – AgI; AgСl – Ag0,85Tl0,15Br0,92I0,08; AgСl – Ag0,85Tl0,15Br0,85I0,15. Выявлены возможные концентрационные диапазоны синтеза материалов для получения оптической керамики различных составов.
2. Будут подобраны технологические режимы для синтеза сырья различного состава гидрохимическим методом термозонной кристаллизации-синтеза (ТЗКС). В процессе синтеза исходного сырья гидрохимическим методом на каждой технологической стадии процесса будет проведен контроль качества полученного материала гравиметрическим методом, рентгенофлуоресцентным, спектральным и рентгенофазовым анализами. Подобраны температурные режимы и с помощью метода направленной кристаллизации из полученного сырья изготовлена оптическая керамика систем TlBr0.46I0.54 – AgI, TlCl0.7Br0.3 – AgI; AgСl – Ag0,85Tl0,15Br0,92I0,08; AgСl – Ag0,85Tl0,15Br0,85I0,15.
3. Будут определены функциональные свойства полученной керамики. Измерены оптические свойства: спектральное пропускание и дисперсия показателя преломления в широком диапазоне длин волн. Выявлена зависимость изменения оптических свойств от вибрации материала. Будет изучена фотостабильность материала.
4. Будет проведена симуляция прозрачной в широком спектральном диапазоне керамики и оптических изделий на ее основе, которая заключается в моделировании ключевых параметров пропускания и преобразования проходящего излучения, а именно оптического рассеяния, модового анализа, распространения электромагнитных волн с течением времени в непрерывном и импульсном режиме. Моделирование по методам конечных элементов (FEM) позволяет выполнять симуляцию данных параметров с высокой точностью в широком диапазоне длин волн. Проведенное моделирование оптической керамики является важным этапом разработки оптических изделий и устройств на ее основе, поскольку позволяет оптимизировать производство, спрогнозировать свойства и снизить материальные и временные затраты.