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超强激光科学卓越创新简报

(第七百四十九期)

2026年2月7日

上海光机所在高能激光系统光隔离器用TAG磁光透明陶瓷的晶格掺杂研究方面取得进展

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所Q&Q+研究中心王俊研究员团队在Mg、Si共掺杂TAG磁光陶瓷研究方面取得进展，相关成果以“Roles of non-stoichiometric Mg2+-Si4+ co-doping in the sintering process of TAG ceramics with higher optical quality”为题发表于Journal of the European Ceramic Society。

铽铝石榴石（TAG）陶瓷已成为一种极具前景的高功率法拉第隔离器的磁光材料，具有高Verdet常数、高热导率和在可见光到近红外波段的高透过率等优点，与常用的商用TGG单晶相比，TAG陶瓷的Verdet常数约高30%，导热系数约高14%。在此前的相关陶瓷烧结研究中已经表明，当作为烧结助剂而添加的硅离子含量超过300 ppm时，会显著促进晶界相的生成，同时导致二氧化硅在晶界处析出；当添加 930 ppm 硅离子含量时，晶界相的厚度达 到80 纳米。这类晶界相会引发散射损耗，降低激光的透射效率。因此当陶瓷孔隙率极低时，其激光性能在很大程度上取决于晶界相的含量。研究团队此前研究得出，采用质量比添加TEOS与MgO复合烧结助剂时，尽管XRD分析显示陶瓷为纯相、扫描电镜图像中也未观察到明显的第二相，但能谱分析仍检测到Mg和Si在晶界处发生偏析。为了解决这一问题，研究团队以非化学计量比Mg2+-Si4+格位掺杂进行设计实验，结果表明能够有效减少晶界处残余相的存在，提升铽铝石榴石（TAG）透明陶瓷的光学品质，其效果优于传统按质量比添加的单一组分烧结助剂。

图1:TAG陶瓷的照片和透过率曲线,以及晶界的TEM图像和元素分析

研究团队对非化学计量比Mg2+-Si4+格位掺杂的内在作用机制进行深入分析，并开展了进一步的实验验证。通过系统的探究，揭示了Mg2+-Si4+在不同烧结阶段的固溶行为，以及该行为与陶瓷致密化、物相演变和晶界微观结构之间的关联。通过对晶格参数与氧空位浓度变化的分析发现，Si4+比Mg2+更早进入晶格，且随着温度升高，Si4+的存在又会反过来提升Mg2+的固溶度。通过精准调控镁和硅的原子比，实现了对陶瓷致密化过程的优化控制。研究团队对最优样品晶界的透射电镜分析表明，在MgO和TEOS较高添加量的条件下，这种非化学计量比的晶格设计方法能显著减少晶界残余相，图中展示了额外晶界相的厚度小于 5 纳米，几乎检测不到。这一发现印证了在非化学计量比掺杂的条件下，针对烧结助剂的种类和含量进行协同优化，对于制备更高光学品质的石榴石透明陶瓷具有重要意义。

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