ZrO2와 Y2O3 조성비에 따른 Co와 Ce 첨가 큐빅지르코니아(YSZ) 단결정의 광학적 및 구조적 특성 The optical and structural properties by ZrO2 and Y2O3 compositional ratio of Co- and Ce-doped cubic zirconia (YSZ) single crystals원문보기
스컬용융법으로 큐빅지르코니아(YSZ) 단결정들($ZrO_2$: $Y_2O_3$= 80 : 20, 70 : 30, 60 : 40, 50 : 50 wt%, $Co_3O_4$: 0.8wt%, $CeO_2$: 0.4wt%)을 성장시켜 $N_2$ 분위기 $1000^{\circ}C$에서 5시간 동안 열처리 하였다. 오랜지색, 황갈색 또는 갈색의 단결정들은 각각 갈적색, 황색 또는 녹색으로 변화되었다. 열처리 전 후의 YSZ 단결정들은 직경 6.5, 두께 2 mm의 웨이퍼로 연마 하였다. 각 시편의 광학적 또는 구조적 특성은 UV-VIS 분광광도계와 XRD(X-ray diffraction)로 분석하였으며, $Ce^{3+}(^2F_{5/2,7/2}(4f){\rightarrow}^2T_g(5d^1))$, $Co^{2+}(^4A_2(^4F){\rightarrow}^4T_1(^4F)$ 또는 $^4T_1(^4P))$ 및 $Co^{3+}$에 의한 흡수, 이온화에너지 및 격자상수 변화를 확인하였다.
스컬용융법으로 큐빅지르코니아(YSZ) 단결정들($ZrO_2$: $Y_2O_3$= 80 : 20, 70 : 30, 60 : 40, 50 : 50 wt%, $Co_3O_4$: 0.8wt%, $CeO_2$: 0.4wt%)을 성장시켜 $N_2$ 분위기 $1000^{\circ}C$에서 5시간 동안 열처리 하였다. 오랜지색, 황갈색 또는 갈색의 단결정들은 각각 갈적색, 황색 또는 녹색으로 변화되었다. 열처리 전 후의 YSZ 단결정들은 직경 6.5, 두께 2 mm의 웨이퍼로 연마 하였다. 각 시편의 광학적 또는 구조적 특성은 UV-VIS 분광광도계와 XRD(X-ray diffraction)로 분석하였으며, $Ce^{3+}(^2F_{5/2,7/2}(4f){\rightarrow}^2T_g(5d^1))$, $Co^{2+}(^4A_2(^4F){\rightarrow}^4T_1(^4F)$ 또는 $^4T_1(^4P))$ 및 $Co^{3+}$에 의한 흡수, 이온화에너지 및 격자상수 변화를 확인하였다.
Co-(0.8 wt%) and Ce-(0.4 wt%) doped cubic zirconia ($ZrO_2$ : $Y_2O_3$ = 80 : 20, 70 : 30, 60 : 40, 50 : 50 wt%) single crystals grown by a skull melting method were heat-treated in $N_2$ at $1000^{\circ}C$ for 5 hrs. The orange, yellowish brown and brown ...
Co-(0.8 wt%) and Ce-(0.4 wt%) doped cubic zirconia ($ZrO_2$ : $Y_2O_3$ = 80 : 20, 70 : 30, 60 : 40, 50 : 50 wt%) single crystals grown by a skull melting method were heat-treated in $N_2$ at $1000^{\circ}C$ for 5 hrs. The orange, yellowish brown and brown colored as-grown single crystals were changed into either brownish red, yellow and green color after the heat treatment. Before and after the heat treatment, the YSZ (yttria-stabilized zirconia) single crystals were cut for wafer form (${\phi}6.5mm{\times}t2mm$). The optical and structural properties were examined by UV-VIS spectrophotometer and X-ray diffraction. Absorption by $Ce^{3+}(^2F_{5/2,7/2}(4f){\rightarrow}^2T_g(5d^1))$, $Co^{2+}(^4A_2(^4F){\rightarrow}^4T_1(^4F)$ or $^4T_1(^4P))$ and $Co^{3+}$, change of ionization energy and lattice parameter were confirmed.
Co-(0.8 wt%) and Ce-(0.4 wt%) doped cubic zirconia ($ZrO_2$ : $Y_2O_3$ = 80 : 20, 70 : 30, 60 : 40, 50 : 50 wt%) single crystals grown by a skull melting method were heat-treated in $N_2$ at $1000^{\circ}C$ for 5 hrs. The orange, yellowish brown and brown colored as-grown single crystals were changed into either brownish red, yellow and green color after the heat treatment. Before and after the heat treatment, the YSZ (yttria-stabilized zirconia) single crystals were cut for wafer form (${\phi}6.5mm{\times}t2mm$). The optical and structural properties were examined by UV-VIS spectrophotometer and X-ray diffraction. Absorption by $Ce^{3+}(^2F_{5/2,7/2}(4f){\rightarrow}^2T_g(5d^1))$, $Co^{2+}(^4A_2(^4F){\rightarrow}^4T_1(^4F)$ or $^4T_1(^4P))$ and $Co^{3+}$, change of ionization energy and lattice parameter were confirmed.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
색상이 있는 YSZ 단결정들은 특히 유색보석의 대용품으로 많이 사용되므로 Y2O3 함량 및 dopant 첨가에 따른 YSZ 단결정의 색상연구는 주얼리산업분야에서 매우 의미 있는 연구라 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 동일한 dopant를 첨가하고 ZrO2와 Y2O3의 함량 비를 변화시켜 단결정을 성장시킨 후 N2분위기에서 열처리 하여 그 구조와 리간장에 따른 색상 변화를 고찰하고자 하였다.
제안 방법
Fig. 1과 2의 샘플들을 UV-VIS 분광광도계로 투과율을 측정하였으며, 그 결과는 Fig. 3 및 4와 같다. 여기서 P11, P12 및 P13은 Co2+(3d7)가[7, 8] 각각 Γ8[4A2(4F)] →Γ6[4T1(4P)]), Γ8[4A2(4F)] → Γ8[4T1(4P) 및 Γ8[4A2(4F)] →Γ8+Γ7[4T(14P)]로 여기(excited) 된 부분에 해당되며, P21, P22 및 P23은 각각 Γ8[4A2(4F)] → Γ8+Γ7[4T1(4F)], Γ8[4A2(4F)]→ Γ8[4T1(4F)] 및 (Γ8[4A2(4F)] → Γ6[4T1(4F)]로[9] 여기 된 부분에 해당된다.
열처리 전·후 단결정들을 각각 직경 6.5 mm, 두께 2 mm의 웨이퍼로 양면 가공하여 UV-VIS 분광광도계로 광학적 특성을 분석하였으며, 결정구조 분석을 위해서 웨이퍼로 가공된 동일 단결정들을 미분쇄하여 XRD를 측정하였다.
열처리 전 후 샘플들을 비교해 보면 ZrO2: Y2O3= 80 : 20일 경우 오렌지색에서 적색으로, 70 : 30일 경우 옅은 오렌지색에서 옅은 녹황색으로, 60 : 40일 경우 옅은 갈색에서 황녹색으로, 50 : 50일 경우 암갈색에서 녹색으로 변화되었다. 이는 Y2O3첨가량에 따른 격자상수(lattice parameter)[6] 변화에 의한 이온화에너지(ionization energy) 변화 및 Co와 Ce의 원자가 변화에 기인된 결과라 판단되어 UV-VIS 분광광도계와 XRD를 측정하여 구조적 해석을 하였다.
성장시킨 단결정들은 N2 분위기 1000oC에서 5시간 동안 열처리하여 처리 전·후의 색상을 비교하였으며, 각각 (a) 오렌지색 → 적색 (b) 옅은 오렌지색→옅은 녹황색 (c) 옅은 갈색→황녹색 (d) 암갈색→녹색으로 변화되었다. 이들 색상 변화의 원인을 UV-VIS 분광광도계 측정으로 규명하였다. ZrO2와 Y2O3함량변화 및 처리 전후의 색상 변화는 Y2O3 함량이 많아질수록 전자전이에너지가 증가하여 전체적인 흡수패턴은 좌측으로 이동하며, 각각의 샘플들을 환원 열처리 후에는 전자전이에너지가 감소하여 전체적인 흡수패턴은 우측으로 이동함을 알 수 있었다.
대상 데이터
4 wt%로 동일하게 하고 ZrO2와 Y2O3 비를 각각 80~50과 20~50wt%로 각각 변화시켜 스컬용융법(skull melting method)로 YSZ단결정을 성장시켰다. 단결정 성장 시 스컬용융시스템(skull melting system)의 조건은 직경 12, 높이 14 cm의 냉각도가니(cold crucible)를 사용하였으며, 출력주파수는 2.84 MHz였다. 단결정 성장 후 냉각도가니에서 자연냉각 시켰으며, 냉각이 완료된 후 도가니에서 단결정들을 분리시켜 N2 분위기 1000℃에서 5시간 동안 열처리하였다.
이론/모형
Table 1에서와 같이 dopant로 Co3O4를 0.8 wt%, CeO2를 0.4 wt%로 동일하게 하고 ZrO2와 Y2O3 비를 각각 80~50과 20~50wt%로 각각 변화시켜 스컬용융법(skull melting method)로 YSZ단결정을 성장시켰다. 단결정 성장 시 스컬용융시스템(skull melting system)의 조건은 직경 12, 높이 14 cm의 냉각도가니(cold crucible)를 사용하였으며, 출력주파수는 2.
스컬용융법으로 YSZ를 성장시켰다. Dopant는 Co3O4와 CeO2를 각각 0.
성능/효과
이들 색상 변화의 원인을 UV-VIS 분광광도계 측정으로 규명하였다. ZrO2와 Y2O3함량변화 및 처리 전후의 색상 변화는 Y2O3 함량이 많아질수록 전자전이에너지가 증가하여 전체적인 흡수패턴은 좌측으로 이동하며, 각각의 샘플들을 환원 열처리 후에는 전자전이에너지가 감소하여 전체적인 흡수패턴은 우측으로 이동함을 알 수 있었다. 이는 Co3+(0.
데이터에서 보여지는 것과 같이 전자전이에너지 값은 Y2O3 함량 20~40 wt%까지 모든 샘플에서 변화를 보이지 않았으며, 또한 처리 전·후도 변화를 보이지 않았다.
07 Å)로 환원되면서 이온 반경이 증가하므로 이온화에너지(ionization energy)가 감소되었기 때문이라 판단된다. 또한 Y2O3함량이 많아질수록 격자상수 ao 값은 증가함을 확인하였다.
처리 후 웨이퍼들에서는 적색에서 녹색으로 확연한 색상변화가 있었으며, 투명도의 변화는 미비함을 보였다. 열처리 전 후 샘플들을 비교해 보면 ZrO2: Y2O3= 80 : 20일 경우 오렌지색에서 적색으로, 70 : 30일 경우 옅은 오렌지색에서 옅은 녹황색으로, 60 : 40일 경우 옅은 갈색에서 황녹색으로, 50 : 50일 경우 암갈색에서 녹색으로 변화되었다. 이는 Y2O3첨가량에 따른 격자상수(lattice parameter)[6] 변화에 의한 이온화에너지(ionization energy) 변화 및 Co와 Ce의 원자가 변화에 기인된 결과라 판단되어 UV-VIS 분광광도계와 XRD를 측정하여 구조적 해석을 하였다.
9에서 보여지는 것과 같이 Y2O3 함량에 따라 격자상수가 확연한 증가하였으나 환원열처리에 따른 격자상수의 변화는 거의 미미하였다. 즉 격자상수는 환원열처리에 의한 Co 및 Ce의 원자가 변화 보다는 Y2O3의 첨가량에 의존함을 보였다. 이는 Zr4+(R = 0.
7304 eV였다. 즉, 처리 후 샘플들의 전자전이에너지 값은 처리 전에 비해 감소 됨을 보였으며, 이에 따른 흡수 패턴들은 전체적으로 우측으로 이동된 결과를 보였다.
열처리 전 웨이퍼들은 Y2O3 함량이 많아질수록 오렌지색상에서 암갈색으로의 색상 변화와 투명(transparence)에서 반투명(translucent) 으로의 투명도 변화를 보였다. 처리 후 웨이퍼들에서는 적색에서 녹색으로 확연한 색상변화가 있었으며, 투명도의 변화는 미비함을 보였다. 열처리 전 후 샘플들을 비교해 보면 ZrO2: Y2O3= 80 : 20일 경우 오렌지색에서 적색으로, 70 : 30일 경우 옅은 오렌지색에서 옅은 녹황색으로, 60 : 40일 경우 옅은 갈색에서 황녹색으로, 50 : 50일 경우 암갈색에서 녹색으로 변화되었다.
하지만 Y2O3 함량 50 wt%인 처리 전·후 샘플들에서는 다른 샘플에 비해 전자전이에너지 값이 급속히 증가함을 보였으며, 처리 전·후를 비교할 때 처리 전에는 1.7348 eV에서 1.7304 eV 로 감소함을 보였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
이트리아 안정화 큐빅지르코니아 단결정의 색상은 어떤 요인에 영향을 받는가?
이트리아 안정화 큐빅지르코니아(Yttria-Stabilized Zirconia; YSZ)[1] 단결정의 색상은 발색원소의 종류 및 첨가량에 따라 다양하게 나타나기도 하지만, 동일 량의발색원소를 첨가하더라도 안정화제로 첨가되는 Y2O3 함량 변화에 따라서 매우 다양한 색상 및 투명도를 나타내기도 한다. Y2O3 함량이 8 mol%(13.
다이아몬드 및 유색보석 대용품으로 사용되는 YSZ 단결정은 Y2O3의 함량비가 어떻게 되는가?
75wt%) 기준으로 이하일 때는 반투명하며 이상일 때는 투명한 YSZ 단결정이 성장된다[2]. 일반적으로 주얼리산업분야에서 다이 아몬드 및 유색보석[3] 대용품으로 사용되는 YSZ 단결정들은 Y2O3를 20~50 wt% 함량 비로 하여[4] 생산되고 있다. Y2O3 함량 변화는 YSZ 단결정에서 리간드(ligand) 장[5]을 변화시켜 색상 변화를 야기시킨다.
이트리아 안정화 큐빅지르코니아의 투명과 반투명을 결정하는 Y2O3의 햠랑은?
이트리아 안정화 큐빅지르코니아(Yttria-Stabilized Zirconia; YSZ)[1] 단결정의 색상은 발색원소의 종류 및 첨가량에 따라 다양하게 나타나기도 하지만, 동일 량의발색원소를 첨가하더라도 안정화제로 첨가되는 Y2O3 함량 변화에 따라서 매우 다양한 색상 및 투명도를 나타내기도 한다. Y2O3 함량이 8 mol%(13.75wt%) 기준으로 이하일 때는 반투명하며 이상일 때는 투명한 YSZ 단결정이 성장된다[2]. 일반적으로 주얼리산업분야에서 다이 아몬드 및 유색보석[3] 대용품으로 사용되는 YSZ 단결정들은 Y2O3를 20~50 wt% 함량 비로 하여[4] 생산되고 있다.
참고문헌 (14)
T. Ishiia and T. Ishikawa, "Mechanisms of conductivity ceiling in YSZ", Solid State Ionics 177 (2006) 1573.
M.A. Borik, E.E. Lomonova, V.V. Osiko, A.V. Panov, O.E. Porodinkov, M.A. Vishnyakova, Yu.K. Voron'ko and V.V. Voronov, "Partially stabilized zirconia single crystals: growth from the melt and investigation of the properties", J. Crystal Growth 275 (2005) 2175.
J.F. Wenckus, "Mass production of refractory oxide crystals: cubic zirconia", J. Crystal Growth 128 (1993) 13.
Xu Jiayue, Lei Xiuyun, Jiang Xin, He Qingbo, Fang Yongzheng, Zhang Daobiao and He Xuemei, "Industrial growth of yttria-stabilized cubic zirconia crystals by skull melting process", J. Rare Earths 27 (2009) 971.
A.B. Anderson and E. Vayner, "Hydrogen oxidation and proton transport at the Ni-zirconia interface in solid oxide fuel cell anodes: Quantum chemical predictions", Solid State Ionics 177 (2006) 1357.
D.H. Kim, C.W. Song, T.W. Kim, H.H. Jin, H.C. Park and S.Y. Yoon, "Characterization of the biodegradable behavior for biphasic calcium phosphates using X-ray diffraction and lattice parameter", J. Korean Crystal Growth and Crystal Technology 21 (2011) 172.
W.T. Kim, S.K. Oh, H.J. Song, K.D. Park, T.Y. Park and H.L. Park, "Optical properties of $\alpha-ZnGa_{2}Se_{4}\;:\;Co^{2+}$ single crystals", J. Korean Physical Society 37 (2000) 81.
J.W. Seok, "The ionization energy and lattice parameters of Co- and Ce-doped cubic zirconia (YSZ) single crystal", J. Korean Crystal Growth and Crystal Technology 20 (2010) 159.
Y.S. Kim and C.D. Kim, "Optical absorption of $Co^{2+}$ ions with $S_{4}$ symmetry in $CdGa_{2}S_{4}\;:\;Co^{2+}$ ", J. Korean Physical Society 40 (2002) 953.
S. Nedjai, A. Barguigua, N. Djahmi, L. Jamali, K. Zerouali, M. Dekhil and M. Timinouni, "Synthesis and photocatalytic activity of $TiO_{2}/V_{2}O_{5}$ composite catalyst doped with rare earth ions", J. Rare Earths 25 (2007) 176.
J.A. Mares, A. Veitlerova, M. Kikl, N. Solovieva, K. Nitsch, M. Kucera, M. Kubova, V. Gorbenki and Y. Zorenko, "Scintillation and optical properties of YAG : Ce films grown by liquid phase epitaxy", Radiation Measurements 42 (2007) 534.
W. Chen, P. Mingying, Y. Luyun, H. Xiao, D. Ning, C. Danping, Z. Congshan and Q. Jianrong, "Upconversion luminescence of $Ce^{3+}$ doped BK7 glass by femtosecond laser irradiation", J. Rare Earths 24 (2006) 756.
Y. Zorenko, V. Gorbenko, V. Savchyn, T. Voznyak, V.V. Gorbenko, M. Nikl, J.A. Mares, O. Sidletskiy, B. Grynyov, A. Fedorov, K. Fabisiak and K. Paprocki, "Scintillation and luminescent properties of undoped and $Ce^{3+}$ doped $Y_{2}SiO_{5}$ and $Lu_{2}SiO_{5}$ single crystalline films grown by LPE method", Optical Materials 42 (2007) 651.
Y. Zorenko, T. Voznyak, V. Vistovsky, T. Zorenko, S. Nediko and M. Batentscjuk, "Energy transfer to $Ce^{3+}$ ions in $Tb_{3}Al_{5}O_{12}$ : Ce single crystalline films", Radiaton Measurements 42 (2007) 649.
AI-Helper
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.