СКЛОКЕРАМІКА ЯК ІМІТАЦІЇ КОШТОВНИХ КАМЕНІВ. ІІ. ОПТИЧНІ СПЕКТРИ, ЛЮМІНЕСЦЕНЦІЯ, ПРИРОДА ОПАЛЕСЦЕНЦІЇ РІДКІСНОЗЕМЕЛЬНИХ СИТАЛІВ
https://doi.org/10.15407/mineraljournal.39.04.024
УДК (549 + 666.3) : 535.3
СКЛОКЕРАМІКА ЯК ІМІТАЦІЇ КОШТОВНИХ КАМЕНІВ. ІІ. ОПТИЧНІ СПЕКТРИ, ЛЮМІНЕСЦЕНЦІЯ, ПРИРОДА ОПАЛЕСЦЕНЦІЇ РІДКІСНОЗЕМЕЛЬНИХ СИТАЛІВ
В.М. Хоменко, А.М. Таращан, В.В. Ріпенко, О.А. Вишневський, О.О. Косоруков
Інститут геохімії, мінералогії та рудоутворення
/ім. М.П. Семененка НАН України
03142, м. Київ, Україна, пр-т Акад. Палладіна, 34
E-mail: vladimir.khom@yahoo.com
Мова: російська
Мінералогічний журнал 2017, 39 (4): 24-41
Анотація: Представницька серія з 34 зразків рідкісноземельної ювелірної склокераміки (РЮСК) різного кольору була досліджена з застосуванням комплексу фізичних методів з метою поглибленого вивчення їх будови на атомно-електронному рівні, з’ясування природи забарвлення й опалесценції. Для визначення електронної структури оптично активних центрів іонів перехідних металів з недобудованими d- і f-оболонками використано методи оптичної та ІЧ спектроскопії, рентген- і фотолюмінесценції. Особливості складу і фазової будови РЮСК досліджено методами рентгеноспектрального мікроаналізу, рентгенофлуоресцентного аналізу, рентгенівської дифракції та електронної мікроскопії. За хімічним складом зразки РЮСК можна розділити на чотири типи: Y-Al-Si (YAS), La-Al-Si (LaAS), Y-Ti-Al-Si (YТAS) і Mg-Zr-Al-Si (MZAS), причому переважна більшість зразків належить до типу YAS. Співвідношення між трьома основними групами атомів: Si (Si), Al (Al + Ti + Zr + Sn) і REE (Y + Lа + Ba), залишається практично незмінним у всіх зразках і становить приблизно 2 : 3 : 1. Алюміній разом із кремнієм відіграє переважно роль склоутворювача і займає тетраедричні позиції, в той час як іони-хромофори є модифікаторами і входять у великі позиції структури матриці скла. Отримано спектри електронних ff-переходів іонів Nd3+, Pr3+, Er3+, Ho3+ в алюмосилікатному склі, близькому за складом до аланіту, в діапазоні 28000—1000 см–1. Установлено, що забарвлення РЮСК обумовлено: домішками окремих тривалентних іонів лантаноїдів — Nd3+, Pr3+, Er3+, Ho3+; їх комбінаціями — Nd3+ + Er3+, Nd3+ + Pr3+, Nd3+ + Er3+ + Ho3+; комбінаціями іонів лантаноїдів з іонами перехідних металів групи заліза — Pr3+ + Cu2+, Pr3+ + Fe3+, Nd3+ + Ni2+, Ti4+ + Er3+; окремими іонами-хромофорами групи заліза — Ti4+, Cu2+. Позиції максимумів і характер розщеплення смуг іонів Ln3+ в спектрах поглинання зразків РЮСК залежить від складу матриці скла, хоча ці коливання дуже незначні (10—30 см–1). Показано, що головною відмінністю спектрів поглинання і люмінесценції іонів Nd3+ у склі від їх спектрів у кристалах бритоліту є невиразність або відсутність тонкої структури смуг. Це дає змогу зробити висновок, що основна маса іонів-хромофорів у РЮСК не входить до складу нанокристалічних фаз, а залишається в матриці скла. Цей висновок узгоджується з великою шириною, незмінністю позицій і співвідношенням інтенсивностей смуг випромінювання Nd3+, Pr3+ і Er3+ у спектрах люмінесценції РЮСК. Явище опалесценції, що спостерігається в зразках РЮСК Mg-Zr складу, пов’язане з об’ємною кристалізацією нановключень тетрагональної модифікації ZrО2. При цьому основна частина іонів Ln3+ залишається у скляній матриці.
Ключові слова: ювелірна алюмосилікатна склокераміка, рідкісноземельні елементи, іони-хромофори, оптична спектроскопія, люмінесценція, опалесценція, оптично активні центри.
Література:
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