Tým vědců z Vysokého učení technického v Brně pod vedením prof. Karla Maci dosáhl významného pokroku ve výzkumu transparentních keramických materiálů. Jejich projekt, podpořený Grantovou agenturou ČR (GA ČR), se zaměřil na zlepšení mikrostruktury a funkčních vlastností keramických materiálů pomocí precizní distribuce dopantů. Tento inovativní přístup přináší nové možnosti pro optické a optoelektronické aplikace.
Cihly, soška Věstonické venuše nebo nádobí. Výroba keramických předmětů je známa již od pravěku a provází lidstvo celým vývojem civilizace. Minulé století bylo ve znamení přechodu od přírodních keramických surovin k vysoce čistým syntetickým keramickým materiálům s výjimečnými vlastnostmi. Před padesáti lety jsme se tak mohli dočíst například o japonském keramickém automobilovém motoru, který snášel velmi vysoké pracovní teploty a přitom nepotřeboval chlazení.
Moderní vývoj a aplikace keramiky
Devadesátá léta 20. století byla obdobím intenzivního výzkumu konstrukčních a pevných keramik, které bylo možné využít při vysokých teplotách či ve velmi korozivním prostředí. Počátek 21. století je obdobím neméně intenzivního výzkumu přípravy a unikátních vlastností keramik v oblasti optických aplikací.
Keramické materiály se vyrábí metodami práškové metalurgie tak, že se jemné keramické prášky nejdříve za studena zhutní na hodnotu kolem 60 % teoretické hustoty a pak se za vysoké teploty spékají, přičemž vzniká kompaktní materiál. Tvar předmětu zůstává přibližně stejný, úměrně se ale zmenší jeho rozměry. Konečné vlastnosti keramiky lze ovlivnit nejen výběrem keramického materiálu a vhodnými parametry zpracování, ale také použitím stopových příměsí – dopantů. Dopanty lze výrazně měnit i elektrické nebo optické funkční vlastnosti.
Hlavním cílem projektu financovaného GA ČR bylo připravit a charakterizovat transparentní oxid hlinitý a dopovat ho prvky vzácných zemin a přechodových kovů tak, aby došlo k vyvolání fotoluminiscenčních efektů. Transparentní keramika pro optické a optoelektronické aplikace dnes představuje velmi dynamicky se rozvíjející trh. Víme, že průhlednost keramiky je podmíněna plnou hustotou (je tedy zcela eliminovaná porozita), vysokou homogenitou a ultrajemnozrnnou mikrostrukturou (velikost zrn nesmí přesáhnout vlnovou délku světla). Cílené dopování se využívá nejen pro zjemnění mikrostruktury transparentního oxidu hlinitého, ale i k vyvolání luminiscenčních vlastností. K tomu je nezbytné, aby byl dopant v keramice rozptýlen co nejhomogenněji.
Demonstrace průhlednosti vzorku spinelové keramiky MgAl2O4
Výzvy a přínosy nového výzkumu
Homogenní rozptýlení dopantu ale není zdaleka triviální problém, neboť oxidy vzácných zemin se do systému vnášejí ve formě nanooxidů homogenně přimíchaných do vstupního prášku oxidu hlinitého. Ionty dopantů se naštěstí v matrici oxidu hlinitého špatně rozpouštějí a segregují na hranicích zrn slinované keramiky, což vede k poměrně rychlému rozptýlení způsobenému vysokou difuzivitou podél hranic zrn. Pokud je ale optimální koncentrace dopantu překročena nebo není homogenizace dostatečná, dopant zčásti zůstane ve formě původních oxidů a požadované optické vlastnosti se výrazně zhorší.
„Hlavním přínosem naší práce na projektu bylo zvládnutí náročné technologie přípravy transparentní dopované či dokonce kodopované Al2O3 keramiky s luminiscenčními vlastnostmi. Připravit takový materiál je složité nejen kvůli optické dvojlomosti Al2O3 keramiky, ale také kvůli extrémně nízké rozpustnosti dopantů v matrici. Naopak výhodami tohoto materiálu jsou vysoká tvrdost a pevnost v tlaku, excelentní chemická stabilita a v neposlední řadě vysoká tepelná vodivost důležitá pro stabilitu vysokovýkonových součástí, jako jsou například pevnofázové lasery. Mezi další aplikační oblasti patří dozimetry, scintilátory, LED svítidla s vysokým jasem, optická vlákna atd.,“ říká prof. Karel Maca. „Kromě Al2O3 keramiky jsme připravili také transparentní luminiscenční MgAl2O4 a c-ZrO2 dopovanou keramiku. Dalším důležitým přínosem naší práce pak bylo vytvoření teoretických modelů pro rozpouštění dopantů v matrici a následná experimentální verifikace těchto modelů,“ uzavírá řešitel projektu.
Řešitelský tým (zleva dr. Katarína Drdlíková, dr. Daniel Drdlík, prof. Karel Maca, dr. Jiří Svoboda)
