ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2008, том 421, № 5, с. 614-616
ФИЗИКА
УДК 536.21+546.161
ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ МОНОКРИСТАЛЛОВ ТВЕРДОГО РАСТВОРА Srx _ xYbxF2 + х
© 2008 г. П. А. Попов, П. П. Федоров, В. А. Конюшкин, А. Н. Накладов, С. В. Кузнецов, академик В. В. Осико, член-корреспондент РАН Т. Т. Басиев
Поступило 22.04.2008 г.
Исследование теплопроводности твердых растворов фторида иттербия в различных матрицах связано с проблемой создания эффективных твердотельных лазеров с диодной накачкой [1-3]. Данное сообщение посвящено исследованию теплопроводности монокристаллов твердых растворов М1 _ хУЬхБ2 + х фторида иттербия во фторидах МБ2 флюоритовой структуры (М = Са, Ва) [4, 5].
Нами сообщалось о результатах исследования твердого раствора Са1 _ хУЬхБ2 + х, в котором с ростом концентрации трифторида иттербия наблюдается резкое падение теплопроводности, причем в низкотемпературной области происходит переход от поведения, типичного для монокристаллов (с максимумом на температурной зависимости), к поведению, характерному для стекол, с монотонным падением теплопроводности при понижении температуры [4].
Целью данной работы было исследование теплопроводности монокристаллов твердого раствора Бг1 _ хУЬхБ2 + х. Максимальная концентрация твердого раствора флюоритовой структуры в системе 8гР2_УЬБ3 составляет х = 0.37 [5], причем при х > 0.25 выращивание монокристаллов из расплава затруднено вследствие процессов упорядочения и распада твердого раствора. В результате измерений выявлены концентрационные (х < 0.05) и температурные (50-300 К) зависимости теплопроводности в этой системе.
В качестве исходных веществ использовали фтористый иттербий марки "х.ч." и фтористый стронций марки "о.с.ч. 10-2". Для очистки от кислородсодержащих примесей, в том числе карбонатов, порошки переплавляли в атмосфере СБ4.
Монокристаллы диаметром 7 мм выращивали методом Бриджмена в многоканальных графито-
Брянский государственный университет Научный центр лазерных материалов и технологий Института общей физики им. А.М. Прохорова Российской Академии наук, Москва
вых тиглях в герметичной установке в атмосфере СБ4 (давление 80 Тор). Скорость протяжки 810 мм/ч, температурный градиент 50 ± 10 К/см. Поправки на изменение состава при выращивании кристаллов не вводились, так как коэффициент распределения УЬБ3 при кристаллизации расплава незначительно отличается от единицы.
Для экспериментального определения теплопроводности использовался абсолютный стационарный метод продольного теплового потока. Аппаратура и методика измерений описаны в [7]. Погрешность определения абсолютной величины теплопроводности не превосходила 5%, воспроизводимость результатов была не хуже 3%.
Результаты измерений представлены на рис. 1-3 в виде графиков температурной к(Т и концентрационной к(х) зависимостей.
Рисунок 1 позволяет сравнить результаты наших измерений теплопроводности фтористого стронция с литературными данными [8-10]. Сглаженные величины теплопроводности приведены в табл. 1. По-
k, Вт/м • К 1000 г
100
10
50 100 150 200 250 300
350 T, K
Рис. 1. Теплопроводность монокристаллических образцов 8^: 1 - наши данные, 2 - данные [8], 3 - данные [9], 4 - расчетные данные [10].
1
0
ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ МОНОКРИСТАЛЛОВ ТВЕРДОГО РАСТВОРА _ ХУЬХБ2 + х 615 к,, Вт/м • К
Рис. 2. Зависимость теплопроводности монокристаллических образцов S^ _ xYbxF2 + x от температуры: 1 - SrF2, 2 -Sr0.999Yb0.001F2.001> 3 - Sr0.995Yb0.005F2.005> 4 - Sr0.99Yb0.01F2.01> 5 - Sr0.98Yb0.02F2.02> 6 - Sr0.95Yb0.05F2.05-
лученное нами значение к = 9.3 ± 0.5 Вт/м • К при 300 К удовлетворительно согласуется с величиной к из экспериментальной работы [9] и расчетами [10]. В интервале 50-70 К измеренные нами величины (см. табл. 1) на ~20% превосходят значения, полученные в работе [8].
Как видно из графиков (рис. 2, 3), введение УЪЕ3 в решетку БгЕ2 понижает теплопроводность, причем наиболее резко этот эффект проявляется при низких температурах. Отмеченный ранее для системы Са1 _ хУЪхЕ2 + х переход к поведению теплопроводности, характерному для стекол, _ возрастанию теплопроводности с ростом температуры _ в исследованном диапазоне концентраций (х = 0.001-0.5) в системе 8гЕ2_УЪЕ3 не отмечался. По-видимому, он может проявиться при увеличении концентрации УЪЕ3 в твердом растворе (х > > 0.05). Для лазерной концентрации х = 0.02 теплопроводность слабо меняется от 7.0 до 5.0 Вт/м • К для 50 и 300 К соответственно, что вполне конкурентоспособно по отношению ко многим лазерным кристаллам.
Исходя из того, что составы и структура упорядоченных флюоритоподобных фаз в системах СаЕ2_УЪЕ3 и 8гЕ2_УЪЕ3 идентичны [11, 12], можно полагать, что аналогичны и дефектные структуры твердых растворов Са1 _ ХУЪХЕ2+х и Бг1 _ хУЪхЕ2 + х. В области высоких концентраций основную роль должны играть кластеры УЪ6Е37.
В целом по величине теплопроводности как БгЕ2, так и твердый раствор на его основе занимают промежуточное положение между кальцие-
k, Вт/м • К
х, мольная доля УЪБ3
Рис. 3. Зависимость теплопроводности растворов 8г1 _ ХУЪХБ2 + х от концентрации трифторида иттербия при 50 (а) и 300 К (б).
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК том 421 № 5 2008
616
ПОПОВ и др.
Таблица 1. Теплопроводность монокристаллического SrF2
T, K k, Вт/м ■ К T, K k, Вт/м ■ К T, K k, Вт/м ■ К
50 213 140 24.1 230 12.7
60 124 150 22.0 240 12.0
70 85 160 19.9 250 11.5
80 62 170 18.3 260 11.0
90 50 180 17.0 270 10.6
100 41 190 15.8 280 10.2
110 35 200 14.7 290 9.7
120 30 210 14.0 300 9.3
130 26.4 220 13.4
вым и бариевым аналогами и твердый раствор вполне подходит в качестве лазерной среды для лазеров с диодной накачкой.
Работа выполнена при частичной поддержке грантов СЯБР ЯиР2-1517-Мо-0б, РФФИ 05-0217447, 08-03-12080-офи. С.В. Кузнецов благодарен за поддержку Фонду содействия отечественной науке.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Krupke W.F. // IEEE. J. Select. Topics Quantum Electronics. 2000. V. 6. № 6. P. 1287-1296.
2. Басаев T.T., Васильев СВ., Дорошенко М.Е. и др. // Квант. электроника. 2007. Т. 37. № 10. С. 934-937.
3. Doulan J.L., Camy P., Benayad A. et al. Advanced Solid-State Photonics. ASSP-2008. Conference Program and Technical Digest. Nara, 2008. WE11. 2 p.
4. Попов ПЛ., Федоров П.П., Кузнецов С.В. и др. // ДАН. 2008. Т. 419. № 5. С. 615-617.
5. Попов ПЛ., Федоров П.П., Кузнецов С.В. и др. // ДАН. 2008. Т. 421. № 2. С. 183-185.
6. Sobolev B P., Seiranian KB. // J. Solid State Chem. 1981. V. 39. P. 17-24.
7. Sirota N.N., Popov P.A., Ivanov I.A. // Cryst. Res. Tech-nol. 1992. V. 27. № 4. P. 535-543.
8. Harrington J.A., Walker C.T. // Phys. Rev. B. 1970. V. 1. № 8. P. 882-890.
9. Парфентьева Л.С., Смирнов ПЛ., Тихонов В В. // ФТТ. 1971. С. 1509-1511.
10. Palchoudhuru S., Bichile G.K. // Solid State Communs. 1989. V. 70. № 4. P. 475-478.
11. Fedorov P P. // Bull. Soc. Cat. Cien. 1991. V. 12. № 2. P. 349-381.
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК том 421 < 5 2008
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.