СТЕКЛОКЕРАМИКА КАК ИМИТАЦИИ ДРАГОЦЕННЫХ КАМНЕЙ. ІІ. ОПТИЧЕСКИЕ СПЕКТРЫ, ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ, ПРИРОДА ОПАЛЕСЦЕНЦИИ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ СИТАЛЛОВ
https://doi.org/10.15407/mineraljournal.39.04.024
УДК (549 + 666.3) : 535.3
В.М. Хоменко, А.Н. Таращан, В.В. Рипенко, А.А. Вишневский, А.А. Косоруков
Институт геохимии, минералогии и рудообразования им. Н.П. Семененко НАН Украины
03142, г. Киев, Украина, пр-т Акад. Палладина, 34
E-mail: vladimir.khom@yahoo.com
СТЕКЛОКЕРАМИКА КАК ИМИТАЦИИ ДРАГОЦЕННЫХ КАМНЕЙ. ІІ. ОПТИЧЕСКИЕ СПЕКТРЫ, ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ, ПРИРОДА ОПАЛЕСЦЕНЦИИ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ СИТАЛЛОВ
Язык: русский
Минералогический журнал 2017, 39 (4): 24-41
Аннотация: Представительная серия из 34 разноокрашенных образцов редкоземельной ювелирной стеклокерамики (РЮСК) была исследована с применением комплекса физических методов с целью уточнения особенностей их строения на атомно-электронном уровне, выяснения природы окраски и опалесценции. Для определения электронной структуры оптически активных центров ионов переходных металлов с недостроенными d- и f- оболочками применены методы оптической, ИК-спектроскопии, рентген- и фотолюминесценции. Особенности состава и фазового строения РЮСК исследована методами рентгеноспектрального микроанализа, рентгенофлуоресцентного анализа, рентгеновской дифракции и электронной микроскопии. По химическому составу образцы РЮСК можно разделить на четыре типа: Y-Al-Si (YAS), La-Al-Si (LaAS), Y-Ti-Al-Si (YТAS) и Mg-Zr-Al-Si (MZAS), причем подавляющее большинство образцов относятся к типу YAS. Соотношение между тремя основными группами атомов: Si (Si), Al (Al + Ti + Zr + Sn) и REE (Y + Ln + Ba), остается практически неизменным во всех образцах и составляет примерно 2 : 3 : 1. Алюминий наряду с кремнием преимущественно выступает в роли стеклообразователя и занимает тетраэдрические позиции, тогда как ионы лантаноидов служат модификаторами и входят в крупные позиции стеклянной матрицы. Получены спектры электронных ff-переходов ионов Nd3+, Pr3+, Er3+, Ho3+ в алюмосиликатном стекле, близком по составу к алланиту, в диапазоне 28000—1000 см–1. Установлено, что окраска РЮСК обусловлена: примесями отдельных трехвалентных ионов лантаноидов: Nd3+, Pr3+, Er3+, Ho3+; их комбинациями: Nd3+ + Er3+, Nd3+ + Pr3+, Nd3+ + Er3+ + Ho3+; комбинациями ионов лантаноидов с ионами переходных металлов группы железа: Pr3+ + Cu2+, Pr3+ + Fe3+, Nd3+ + Ni2+, Ti4+ + Er3+; отдельными ионами-хромофорами группы железа: Ti4+, Cu2+. Положение максимумов и характер расщепления полос ионов Ln3+ в спектрах поглощения образцов РЮСК зависит от состава матрицы стекла, хотя величины соответствующих смещений очень незначительны (10—30 см–1). Показано, что главная отличительная особенность спектров поглощения и люминесценции ионов Nd3+ в стекле от таковых в кристаллах природных минералов — слабая выраженность или отсутствие тонкой структуры полос. Это позволяет заключить, что основная масса ионов-хромофоров в РЮСК не входит в состав нанокристаллических фаз, а остается в матрице стекла. Данный вывод подтверждается значительной шириной, неизменностью позиций и соотношения интенсивностей полос излучения Nd3+, Pr3+ и Er3+ в спектрах люминесценции РЮСК. Явление опалесценции, наблюдаемое в образцах РЮСК Mg-Zr состава, связано с объемной кристаллизацией нановключений тетрагональной модификации ZrО2. При этом основная часть ионов-хромофоров Ln3+ остается в стеклянной матрице.
Ключевые слова: ювелирная алюмосиликатная стеклокерамика, редкоземельные элементы, ионы-хромофоры, оптическая спектроскопия, люминесценция, опалесценция, оптически активные центры.
Литература:
1. Вишневский А.А., Хоменко В.М., Косоруков А.А., Рипенко В.В., Калиниченко Т.Г. Стеклокерамика как имитации драгоценных камней. I. Геммологическая характеристика, состав, физические свойства // Мінерал. журн. — 2017. — 39, № 3. — С. 32—42.
2. Марфунин А.С. Спектроскопия, люминесценция и радиационные центры в минералах. — М. : Недра, 1975. — 327 с.
3. Платонов А.Н. Природа окраски минералов. — Киев : Наук. думка, 1976. — 264 с.
4. Свиридов Д.Е., Свиридова Р.К., Смирнoв Ю.Ф. Оптические спектры ионов переходных металлов в кристаллах. — М. : Наука, 1976. — 267 с.
5. Таращан А.Н. Люминесценция минералов. — Киев : Наук. думка, 1978. — 296 c.
6. Хоменко В.М. Mи-рассеяние на наноразмерных включениях и связанные с ним эффекты в оптических спектрах поглощения минералов: теория и эксперимент // Мінерал. журн. — 2011. — 33, № 4. — C. 27—38.
7. Шаляпин А.Л., Шульгин Б.В., Гаврилов Ф.Ф., Федоровских Ю.А., Чухланцев В.Г. Особенности люминесценции редкоземельных ионов в цирконосиликатных фосфорах // Спектроскопия кристаллов. — Л. : Наука, 1973. — С. 184—187.
8. Adams J.W. The visible region absorption spectra of rare-earth minerals // Amer. Miner. — 1965. — 50. — P. 356—366.
9. Avakyan K. Formica-made nanogems: The major alternative to the coloured synthetic crystals and glasses in jewellery // Jewellery news Asia. — 2012, December. — P. 37—39.
10. Cicconi M.R., Giuli G., Paris E., Courtial P., Dingwell D.B. XAS investigation of rare earth elements in sodium disilicate glasses // J. Non-Crystalline Solids. — 2013. — 362. — P. 162—168.
11. Gruber J.B., Burdick G.W., Valiev U.V., Nash K.L., Rakhimov S.A., Sardar D.K. Energy levels and symmetry assignments for Stark components of Ho3+ (4f10) in yttrium gallium garnet (Y3Ga5O12) // J. Appl. Phys. — 2009. — 106. — P. 113-110.
12. International Centre for Diffraction Data (ICDD). [Электрон. ресурс]. — Режим доступа: http://www.icdd.com/index.htm (Дата обращения 2.03.2017).
13. Kawamoto Y., Kanno R., Qiu J. Upconversion luminescence of Er3+ in transparent SiO2-PbF2-ErF3 glass ceramics // J. Materials Science. — 1998. — 33, № 1. — P. 63—67.
14. Kholodkov A.V., Golant K.M. Er3+ ions luminescence in non-fused silicate glasses fabricated by SPCVD // Opt. Mater. — 2005. — 27. — P. 1178—1186.
15. Khomenko V.M., Langer K., Wirth R. On the influence of wavelength-dependent light scattering on the UV-VIS absorption spectra of oxygen-based minerals: a study on silicate glass ceramics as model substances // Phys. Chem. Miner. — 2003. — 30. — P. 98—107.
16. Kubicki J.D., Sykes D., Rossman G.R. Calculated Trends of OH Infrared Stretching Vibrations with Composition and Structure in Aluminosilicate Molecules // Phys. Chem. Miner. — 1993. — 20. — P. 425—432.
17. Lakshminarayana G., Jianrong Qiu J. Photoluminescence of Pr3+, Sm3+ and Dy3+-doped SiO2-Al2O3-BaF2-GdF3 glasses // J. Alloys and Compounds. — 2009. — 476, Iss. 1—2. — P. 470—476.
18. Marchi J., Morais D.S., Schneider J., Bressiani J.C., Bressiani A.H.A. Characterization of rare earth aluminosilicate glasses // J. Non-Crystalline Solids. — 2005. — 351. — P. 863—868.
19. Marfunin A.S. Physics of Minerals and Inorganic Materials / Transl. from the Russian by N.G. Egorova, A.G. Mishchenko. — Berlin Heidelberg : Springer-Verlag, 1979. — 340 s.
20. Padlyak B., Ryba-Romanowski W., Lisiecki R. Optical spectroscopy and local structure of the Nd3+ luminescence centres in glasses of the CaO—Ga2O3—GeO2 system // Optica Applicata. — 2008. — Vol. XXXVIII, № 1. — P. 189—202.
21. Ponader C.W., Brown Jr.G.E. Rare earth elements in silicate glass / melt systems: I. Effects of composition on the coordination environments of La, Gd, and Yb // Geochim. et Cosmochim. Acta. — 1989. — 53, Iss. 11. — P. 2893—2903. — DOI: https://doi.org/10.1016/0016-7037(89)90166-X
22. Schaller T., Stebbins J.F. The structural role of Lanthanum and Yttrium in aluminosilicate glasses: A 27Al and 17O MAS NMR study // J. Phys. Chem. B. — 1998. — 102. — P. 10690—10697. — DOI: https://doi.org/10.1021/jp982387m
23. Semwal K., Bhatt S.C. Study of Nd3+ ion as a dopant in YAG and glass laser // Intern. J. Physics. — 2013. — 1, № 1. — P. 15—21.
24. Shen A. "Nanogems" — a new glass-ceramic material // Gems & Gemology. — 2010. — 46, № 2. — P. 156—157.
25. Srisittipokakun N., Ruangtaweep Y., Horprathum M., Kaewkhao J. Fabrication of Artificial Gemstones from Glasses: From Waste to Jewelry // AIP Conf. Proceedings. — 2014. — 1617. — P. 120—125. DOI: https://doi.org/10.1063/1.4897119
26. Tilley R.J.D. Lanthanoid ion color // Encyclopedia of color science and technology. — 2013. — DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-642-27851-8_257-1
27. Walrafen G.E., Samanta S.R. Infrared absorbance spectra and interactions involving OH groups in fused silica // J. Chem. Phys. — 1978. — 69. — P. 493—495.
28. Wang Y., Li J., Zhu Z., You Z., Xu J., Tu C. Dual function of Nd3+ in Nd, Er : LuYSGG crystal for LD pumped ~3.0 μm mid-infrared laser // Opt. Express. — 2015. — 23, № 14. — P. 18554—18562. — DOI: https://doi.org/10.1364/OE.23.018554.
29. Weber J.K.R., Abadie J.G., Key T.S., Hiera K., Nordine P.C., Waynant R.W., Ilev I.K. Synthesis and optical properties of rare-earth-aluminum oxide glasses // J. Amer. Ceram. Soc. — 2002. — 85. — P. 1309—1311.
30. Xu Y., Zhang X., Dai S., Fan B., Ma H., Adam J.-l., Ren J., Chen G. Efficient near-infrared down-conversion in Pr3+-Yb3+ codoped glasses and glass ceramics containing LaF3 nanocrystals // J. Phys. Chem. C. — 2011. — 115 (26). — P. 13056—13062. — DOI: https://doi.org/10.1021/jp201503v