Keramik lover grønnere optiske enheder

En blyfri keramik, der kan bruges i applikationer lige fra optiske sensorer og kontakter til cremer til beskyttelse mod ultraviolet (UV) lys, er blevet udviklet af A*STAR-forskere.

Keramik fremstillet af kaliumnatriumniobat (KNN) er lovende alternativer til blybaseret keramik i elektro-optiske applikationer. Imidlertid, det er både udfordrende og dyrt at forbedre KNN's ydeevne ved at sikre, at den har en høj tæthed, finkornet, kemisk ensartet mikrostruktur.

Kendt som PLZT, lanthan modificeret bly zirconate titanat er en af ​​de mest udbredte elektro-optiske keramik. Alligevel er der alvorlige økologiske betænkeligheder med hensyn til toksicitet for miljøet og levende organismer, når først enheder fremstillet med det kasseres; PLZT indeholder omkring 60 procent bly (i vægt). Søgningen er på for at finde blyfri erstatninger til PLZT.

Santiranjan Shannigrahi, og hans kolleger fra A*STAR's Institute of Materials Research and Engineering og Institute of High Performance Computing, har udviklet en metode til fremstilling af et KNN baseret keramisk materiale, der har potentiale til at erstatte PLZT.

"Udvikling af en blyfri, stabil keramik til praktiske anvendelser var vores vigtigste mål, " forklarer Shannigrahi. "I nogen tid nu har KNN vist lovende som et potentielt alternativ til PLZT, men KNN-baseret keramik lider af en række iboende problemer, såsom den lave tæthed af store, kubeformede partikler, der tillader fugt at blive absorberet, gør dem ustabile og derfor uegnede til praktisk brug."

KNN-krystallerne modificeres til nanostørrelse, næsten sfæriske partikler arrangeret i et perovskitgitterarrangement. Kalium- og natriumioner er placeret i hjørnerne af det terningformede gitter, iltioner i ansigterne, og niobiumioner i midten. Forskerne erstattede derefter en del af niobiumionerne med lanthanioner, ændre krystalstørrelsen og strukturen og skabe et helt nyt materiale, hvis magnetiske og optiske egenskaber kan tunes, når de udsættes for UV.

Det nye materiale absorberer fuldstændigt UV-lys, når det belyses, bliver til en dyb blå farve. Dette er ledsaget af en betydelig stigning i magnetisering. Interessant nok, den vender tilbage til sin oprindelige farve og magnetisering, når belysningen ophører.

"Disse modifikationer producerede en semitransparent keramik med nanostørrelse, sfæriske partikler med en tæthed på ca. 98 % af det teoretiske potentiale, " siger Shannigrahi.

Det nye materiale kan bruges i en række applikationer, inklusive strømløse UV-sensorer, optiske kontakter og detektorer, og til UV-beskyttelse i solcremer.

"Vores arbejde kunne føre til et mere miljøvenligt alternativ til PLZT, og vi engagerer nu industrielle partnere til yderligere udvikling, " siger Shannigrahi.