钌掺杂钇铝石榴石(YAG:Ru)透明陶瓷的首次合成及带隙调控机制研究

本研究针对钇铝石榴石(YAG)掺杂过渡金属的光学性能调控需求，首次通过化学沉淀法制备透明YAG:Ru陶瓷，系统探究了Ru含量与退火处理对材料光传输特性及带隙的影响。结果表明，Ru掺杂诱导吸收带边红移并缩小带隙，而空气退火可显著提升透光率（>70%），为光学隔离器、发光二极管等器件的开发提供新材料体系，其理论机制通过密度泛函理论(DFT)计算得到验证。

　　

在激光技术与光电子器件领域，钇铝石榴石（Y₃Al₅O₁₂, YAG）因其优异的光学性能和可掺杂特性成为核心材料。通过引入过渡金属离子，YAG能实现发光波长、吸收边界的精确调控，从而拓展其在固态激光器、光学隔离器等器件中的应用。然而，传统掺杂体系（如Ce、Cr等）存在光谱覆盖范围有限、稳定性不足等问题。钌(Ru)作为4d过渡金属，具有独特的4d⁵/4d⁴多价态特性，可赋予材料光致变色、磁性和宽带吸收等新功能，但Ru掺杂YAG透明陶瓷的合成及光学调控机制此前尚未突破。

为开发新型可调谐光学材料，俄罗斯科学院的研究团队在《Optical Materials》发表突破性研究，首次成功合成钌掺杂YAG（YAG:Ru）透明陶瓷。他们采用化学沉淀法制备前驱体粉末，系统分析不同Ru含量及退火工艺对陶瓷相组成、微观结构和光学性能的影响，结合密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT）计算揭示了Ru掺杂诱导带隙变窄的机制。研究表明：当Ru含量低于0.0047wt%并经空气退火后，陶瓷可见光区透光率突破70%；Ru离子进入YAG晶格（主要占据Al³⁺的八面体位点）导致吸收带边红移，带隙从纯YAG的6.5eV降至5.8eV；退火处理进一步优化氧空位分布，显著提升近红外光传输性能。这为设计高效红外吸收器、可调谐光学滤波器提供了新材料平台。

关键实验方法

1. 化学沉淀合成：以氯化钇、氯化铝、氯化钌为原料，氨水为沉淀剂制备前驱体粉末
2. 陶瓷烧结：前驱体经压制、烧结获得致密陶瓷体
3. 光谱表征：测试可见-红外吸收光谱及透射光谱，对比退火前后性能变化
4. 理论模拟：采用广义梯度近似(GGA)框架的DFT计算YAG:Ru超胞电子结构

研究结果与发现

1. Materials
   成功制备高纯度YAG:Ru前驱体粉末，使用氯化钌(RuCl₃)作为掺杂源，确保Ru³⁺离子有效掺入。

2. Result and discussion

• 结构特性：Ru离子主要占据Al³⁺的八面体晶格位，存在Ru³⁺和Ru⁴⁺混合价态
• 光学调控：Ru含量增加导致透光率下降，但空气退火使样品透光率提升至>70%
• 带隙演变：Ru掺杂使吸收带边红移，带隙从6.5eV降至5.8eV；退火进一步强化红移效应
• 理论验证：DFT计算证实Ru掺杂引入缺陷能级，导致导带下移和价带上移，缩小带隙

1. Conclusions
   首次实现YAG:Ru透明陶瓷的可控制备，阐明Ru掺杂浓度与退火工艺对光传输性能的协同影响机制。Ru离子通过缩小带隙（~0.7eV）和诱导吸收带边红移，使材料具备宽谱（可见-中红外）吸收特性。该材料在光学隔离器、红外调制器件中具应用潜力。

研究意义与展望
本研究突破性地将钌引入石榴石陶瓷体系，开辟了过渡金属掺杂YAG材料的新方向。通过精确控制Ru含量（<0.0047wt%）与退火工艺，首次实现YAG:Ru的高透光率（>70%）与可调带隙特性，其红移效应较传统掺杂体系更显著。DFT理论模型成功解析Ru掺杂引起的能带重构机制，为后续设计高性能光学陶瓷提供理论支撑。特别值得注意的是，空气退火对透光率的提升效应揭示氧空位调控是关键优化路径，这对开发耐高温光学器件具有重要启示。该材料在激光防护、红外传感等领域的应用前景，有望推动新一代光电子器件的创新发展。