El granate de lutecio y aluminio (comúnmente abreviado LuAG , fórmula molecular Lu 3 Al 5 O 12 ) es un compuesto inorgánico con una estructura cristalina única conocida principalmente por su uso en dispositivos láser de alta eficiencia . LuAG también es útil en la síntesis de cerámicas transparentes . [1]
LuAG es un cristal centelleante dopable que demostrará luminiscencia después de la excitación . Los cristales centelleantes se seleccionan por su alta perfección estructural, alta densidad y alto número atómico efectivo. LuAG es particularmente favorecido sobre otros cristales por su alta densidad y conductividad térmica . LuAG tiene una constante de red relativamente pequeña en comparación con otros granates de tierras raras , lo que da como resultado una mayor densidad que produce un campo cristalino con anchos de línea más estrechos y un mayor nivel de energía que se divide en absorción y emisión. [2] Estas propiedades lo convierten en un excelente anfitrión para iones activos como Yb, Tm, Er y Ho empleados en láseres de estado sólido bombeados por diodos .
La densidad del cristal de lutecio es mayor que la de otros metales, como el itrio , lo que significa que las propiedades del cristal no cambian con la adición de iones dopantes . [3] Puede ser especialmente útil para la detección y cuantificación de partículas de alta energía debido a su densidad y estabilidad térmica. Esta alta temperatura de fusión, además de la falta de disponibilidad de lutecio, ha hecho que este cristal se utilice con menos frecuencia que sus compañeros granates, a pesar de sus propiedades físicas favorables. [1]
El granate de lutecio y aluminio, con la fórmula molecular Lu 3 Al 5 O 12, tiene una estructura cristalina cúbica compleja. La celda unitaria contiene 24 átomos de lutecio en sitios c , 96 átomos de oxígeno en sitios h y aluminio en 16 sitios a y 24 sitios d . [4]
La masa del ion lutecio se acerca más a la de los lantánidos activos con láser que se utilizan para el dopaje, lo que significa que la conductividad térmica no se altera como sucedería en otras estructuras de granate con niveles de dopaje más altos. Además, el radio cristalino del lutecio limita las alteraciones observadas en la estructura cristalina con dopaje presente. [1]
El granate de lutecio y aluminio es un cristal artificial que se puede cultivar mediante una técnica desarrollada hace aproximadamente un siglo, el proceso de crecimiento de Czochralski . Este método permite la formación de cilindros monocristalinos de varios centelleadores. El método se utiliza para el crecimiento de semiconductores, óxidos, fluoruros y cristales de haluros además de cristales metálicos. [5]
El proceso de crecimiento de LuAG es relativamente simple debido a su estructura cristalográfica y propiedades fisicoquímicas. Debido a la estabilidad térmica de los materiales, se requiere un aparato que administre un alto suministro de energía y temperaturas de hasta 2500 ˚C. [5]
El crecimiento hidrotermal de granates se ha registrado desde la década de 1960 y ahora se ha demostrado para LuAG como una técnica alternativa al método de fusión tradicional empleado en el pasado. Este método permite que los cristales crezcan a temperaturas más bajas, lo que limita los defectos inducidos térmicamente que dan como resultado extensiones de cristal ópticamente inútil. [1]
Este método se empleó sin el uso de semillas de LuAG debido a su falta de disponibilidad y costo. En cambio, el crecimiento se realizó utilizando cristales de granate de itrio y aluminio con un desajuste de red mínimo del 0,6%. El crecimiento se realizó utilizando óxido de lutecio (III) en polvo y materia prima de zafiro triturado con mineralizador de bicarbonato de potasio 2 M con un gradiente térmico de 610 - 640 ˚C. [1]
El proceso de láser con cristales de granate de aluminio se lleva a cabo mediante átomos dopantes, generalmente metales de tierras raras, que reemplazan en la estructura cristalina a algunos átomos del metal original (en este caso, lutecio). El papel de los átomos no sustituidos de lutecio, aluminio y oxígeno es el de soporte de los iones dopantes.