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Esplorazione delle proprietà, della produzione e delle applicazioni del granato di gadolinio e gallio

Introduzione

Gli igranati, che appartengono al gruppo minerale A3B2(SiO4)3, sono spesso utilizzati come gemme, substrati e abrasivi grazie alle loro proprietà fisiche e strutture cristalline comuni. Nonostante le loro somiglianze, i granati presentano variazioni nella composizione chimica. In questo articolo approfondiremo la famiglia dei granati e ci concentreremo in particolare sul granato di gadolinio e gallio, fornendo una panoramica delle sue caratteristiche, tecniche di produzione e applicazioni. Alla fine di questo articolo, avrete una comprensione fondamentale delle proprietà e degli usi del granato di gadolinio e gallio.

Definizione di granato di gadolinio e gallio

Il granato di gadolinio e gallio (Gd3Ga5O12) è un granato di sintesi con notevoli proprietà termiche, meccaniche e ottiche.

  • Il granato di gadolinio e gallio (GGG) ha un'elevata conducibilità termica di 7,4W m-1K-1 e un elevato punto di fusione di circa 1730℃.
  • Si distingue inoltre per una durezza Mohs compresa tra 6,5 e 7,5.
  • Per quanto riguarda le caratteristiche ottiche, il GGG ha una perdita ottica inferiore allo 0,1%/cm. È sufficientemente trasparente per i componenti ottici tra 0,36 e 6,0 μm, mentre l'indice di rifrazione del GGG varia da 2,0 all'estremità UV a 1,8 all'estremità IR dello spettro.

Produzione del granato di gadolinio e gallio

Il processo Czochralski è un metodo ampiamente utilizzato per la produzione di cristalli singoli, tra cui il granato di gadolinio e gallio. È stato sviluppato per la prima volta da Jan Czochralski, uno scienziato polacco, che si è imbattuto nel metodo accidentalmente. Mentre cercava di intingere la sua penna in un calamaio, la immerse per errore in uno stagno fuso e si formò un singolo cristallo di stagno. Ciò ha portato allo sviluppo del processo Czochralski, che da allora è diventato il metodo principale per la creazione di cristalli.

La Figura 1 mostra un diagramma schematico del processo Czochralski applicato alla produzione di cristalli di silicio.


Figura 1. Schema del processo Czochralski. Mesquita, Daniel & Lucas de Souza Silva, João & Moreira, Hugo & Kitayama da Silva, Michelle & Villalva, Marcelo. (2019). Revisione e analisi delle tecnologie applicate ai moduli fotovoltaici. 10.1109/ISGT-LA.2019.8895369.

Il processo Czochralski prevede diverse fasi che possono essere descritte come segue:

In primo luogo, il materiale viene posto in un crogiolo rotondo e riscaldato fino a raggiungere lo stato fuso.

In secondo luogo, un cristallo seme viene accuratamente immerso nel materiale fuso e fatto ruotare lentamente. Ciò consente la formazione di una struttura cristallina attorno al seme.

Infine, il cristallo seme viene lentamente ritirato dalla fusione, dando luogo alla formazione di un cristallo singolo all'interfaccia tra il seme e il materiale fuso.

Nel complesso, il processo Czochralski è un metodo preciso e intricato per la creazione di cristalli singoli di alta qualità, con ogni fase che richiede un'attenzione e un controllo accurati.

Inoltre, è fondamentale condurre il processo Czochralski in un'atmosfera inerte per prevenire la contaminazione e l'ossidazione. La potenza di riscaldamento, la velocità di rotazione e la velocità di estrazione devono essere attentamente controllate per ottenere la forma di cristallo desiderata. Inoltre, è possibile aggiungere droganti per modificare il colore del cristallo di granato. Questa tecnica è spesso utilizzata nei materiali semiconduttori, come il silicio e l'arseniuro di gallio.

Applicazioni del granato di gallio gadolinio

Il granato di gadolinio e gallio ha un'ampia gamma di applicazioni in vari settori industriali grazie alle sue caratteristiche desiderabili. Il GGG è comunemente usato come materiale di substrato per film magneto-ottici. Ad esempio, applicando un film di granato di ittrio e ferro (YIG) su un substrato di granato di gallio gadolinio, si possono creare isolatori ottici a infrarossi. Il GGG è anche utilizzato come materiale di substrato per la memoria magnetica a bolle d'aria, poiché il suo parametro reticolare corrisponde strettamente a quello del materiale di memoria. Inoltre, i cristalli di GGG sono substrati essenziali per gli isolatori a microonde.

Negli anni '70, il GGG è stato utilizzato come simulante del diamante per la sua somiglianza visiva con i diamanti naturali. Tuttavia, è stato rapidamente sostituito dal granato di ittrio e alluminio (YAG) a causa della sua maggiore durezza. Ciononostante, il GGG rimane una scelta popolare per coloro che cercano un aspetto di diamante naturale nei loro prodotti.

Altri materiali di granato

Il nostro sito web offre una varietà di granati sintetizzati tra cui scegliere. Una di queste opzioni è il granato di gadolinio alluminio gallio drogato con cerio (Ce:GAGG), noto per l'elevata resa luminosa, la rapida risposta alla scintillazione, la stabilità chimica e l'eccellente risoluzione energetica. Il Ce:GAGG è una scelta eccellente per l'imaging a raggi X, la tomografia computerizzata (TC) e altre tecniche di imaging medico.

Un'altra opzione è il granato di ittrio e alluminio drogato con neodimio (Nd: YAG), che presenta un'eccellente efficienza di assorbimento e conversione ottica. Grazie alle sue eccezionali proprietà, l'Nd:YAG è ampiamente utilizzato nelle macchine di marcatura laser, negli strumenti di bellezza e nelle macchine da taglio.

Per ulteriori informazioni, visitate la nostra homepage.

Lettura correlata: Introduzione a 7 tipi di materiali sintetici di granato

Conclusione

Il granato di gadolinio e gallio (GGG) è un materiale molto versatile, ampiamente utilizzato come substrato e pietra preziosa, grazie alle sue eccezionali proprietà quali l'elevato punto di fusione, la conducibilità termica, la durezza e le buone caratteristiche ottiche. Alla Stanford Advanced Materials (SAM) offriamo granati di elevata purezza di vari diametri per soddisfare le vostre esigenze specifiche. Se siete interessati, inviateci una richiesta e saremo lieti di assistervi.

About the author

Chin Trento

Chin Trento ha conseguito una laurea in chimica applicata presso l'Università dell'Illinois. Il suo background formativo gli fornisce un'ampia base da cui partire per affrontare molti argomenti. Da oltre quattro anni lavora alla scrittura di materiali avanzati presso lo Stanford Advanced Materials (SAM). Il suo scopo principale nello scrivere questi articoli è quello di fornire ai lettori una risorsa gratuita ma di qualità. Accetta volentieri feedback su refusi, errori o differenze di opinione che i lettori incontrano.
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