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논문 상세정보

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 crystals

초록

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))$$Co^{3+}$에 의한 흡수, 이온화에너지 및 격자상수 변화를 확인하였다.

Abstract

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.

질의응답 

키워드에 따른 질의응답 제공
핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
이트리아 안정화 큐빅지르코니아
이트리아 안정화 큐빅지르코니아 단결정의 색상은 어떤 요인에 영향을 받는가?
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

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.

YSZ 단결정
다이아몬드 및 유색보석 대용품으로 사용되는 YSZ 단결정은 Y2O3의 함량비가 어떻게 되는가?
20~50 wt% 함량 비

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 큐빅지르코니아
이트리아 안정화 큐빅지르코니아의 투명과 반투명을 결정하는 Y2O3의 햠랑은?
Y2O3 함량이 8 mol%(13.75wt%) 기준으로 이하일 때는 반투명하며 이상일 때는 투명한 YSZ 단결정이 성장된다

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.

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참고문헌 (14)

  1. T. Ishiia and T. Ishikawa, "Mechanisms of conductivity ceiling in YSZ", Solid State Ionics 177 (2006) 1573. 
  2. 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. 
  3. J.F. Wenckus, "Mass production of refractory oxide crystals: cubic zirconia", J. Crystal Growth 128 (1993) 13. 
  4. 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. 
  5. 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. 
  6. 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. 
  7. 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. 
  8. 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. 
  9. 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. 
  10. 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. 
  11. 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. 
  12. 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. 
  13. 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. 
  14. 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. 

이 논문을 인용한 문헌 (1)

  1. 강태희, 구상만, 정충호, 황광택, 강우규 2013. "재생 세륨 전구체로부터 나노산화세륨(IV)합성" 한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, 23(2): 101~107 

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