W pływ dom ieszkow ania w zależności od tem peratury na dyfuzyjność cieplną

w niższych tem peraturach przez rozpraszanie na defektach.

W kryształach YAG największe spadki dyfuzyjności cieplnej, o około 60%, odnotow ano dla czystej próbki i próbek słabo dom ieszkow anych w anadem (rys. 41 a).

W przypadku m onokryształów W O 4 największe zm iany w dyfuzyjności cieplnej zaobserw ow ano dla niedom ieszkow anej próbki - 62% dla kierunku rów noległego do osi c oraz prawie 66% dla kierunku do niego prostopadłego (rys. 41 b).

Spośród trzech zbadanych próbek m onokryształów GdCOB, najsilniejszy spadek dyfuzyjności cieplnej spow odow any tem peraturą w ystępuje w próbce niedomieszkowanej i osiąga 45% dla kierunku osi optycznej X, 46% dla kierunku Y oraz 47% dla kierunku Z (rys.

41 c).

5.1.2. W pływ dom ieszkow ania w zależności od tem peratury na dyfuzyjność cieplną m onokryształów

W zględne zm iany dyfuzyjności cieplnej m onokryształów dom ieszkow anych w odniesieniu do czystej próbki dla każdej z m ierzonych tem peratur zostały obliczone w oparciu o wzór

a — a n

Aa —--- - - 1 0 0 % (5.2)

a 0

gdzie a je st dyfuzyjnością cieplną dom ieszkow anego m onokryształu, a ao dyfuzyjnością cieplną niedom ieszkow anego m onokryształu. W yniki dla kryształów YAG przedstawione są na rys. 42, dla kryształów Y V 0 4 na rys. 43, a dla GdCOB na rys. 44.

W pływ dom ieszkow ania w tem peraturach bliskich pokojowej na dyfuzyjność cieplną m onokryształów

O prócz zm niejszenia dyfuzyjności cieplnej w szystkich próbek powodowanej rosnącą tem peraturą, w dom ieszkow anych kryształach następuje jednoczesne obniżenie wartości tej w ielkości w tem peraturze bliskiej pokojowej w stosunku do kryształów niedomieszkowanych.

W ynika to z pojaw ienia się kolejnego m echanizm u odpow iedzialnego za skrócenie średniej drogi swobodnej fononów. Jest nim rozpraszanie fononów na defektach struktury krystalicznej, jakimi są w prow adzone domieszki. Częstotliwość rozproszeń fononów rośnie w raz z rosnącą koncentracją defektów, co potw ierdzają otrzym ane wyniki.

W przypadku kryształów YAG, dyfuzyjność cieplna w tem peraturze 34 °C/35 °C spada o 39% dla próbki domieszkowanej 3 at% Yb, a dom ieszkow anej z koncentracją 25 at% Yb aż o 61% w porów naniu do niedom ieszkow anego YAG (rys. 42). Jony iterbu zastępują w sieci krystalicznej jony itru. Poniew aż różnica m iędzy ich prom ieniam i jonow ym i je st niew ielka (rys. 40), m onokryształ YAG m oże być dom ieszkow any iterbem w szerokim

zakresie koncentracji.

T. °C

150 200

I

I

H i 3 at% Y b Y A G P ~ 1 2 S at% Y b :Y A G

Rys. 42. W zględne zmiany dyfuzyjności cieplnej dla monokryształów YAG domieszkowanych iterbem w odniesieniu do czystego monokryształu.

Jak pokazano w rozdziale czw artym , dla próbek YAG dom ieszkow anych jonam i w anadu dyfuzyjność cieplna m aleje w tem peraturze 34 °C zaledw ie o 0,2% dla 0,8 at% V, lecz przy koncentracji 2,1 at% V ju ż o 8%. Zm iany dyfuzyjności cieplnej tych próbek dla kolejnych tem peratur nie zostały pokazane na w ykresie, poniew aż są na tyle niew ielkie, że m ieszczą się w granicach niepewności pom iarowych. M ała zm iana dyfuzyjności cieplnej dla kryształów YAG dom ieszkow anych w anadem je st praw dopodobnie zw iązana z niską koncentracją domieszki.

O trzym ane w yniki dla m onokryształów YAG pokazują, że im w iększa koncentracja dom ieszki, tym w iększy spadek dyfuzyjności cieplnej.

Taki sam efekt zaobserw ow ano dla m onokryształów Y V 0 4 w zdłuż kierunku c (rys. 43 a) oraz w zdłuż kierunku do niego prostopadłego (rys. 43 b).

a)

-15

-20 -25

£ -30

4 ^-35 5' -40 -45

50

55

60

T. °C

100 150 200 250 300

1

I I

m m i at% N d .Y V 0 4 II c C 2 Z J 2 at% N d :Y V 0 4 II c

: G 3 5 at% Tm «■ 0.4 at% C a :Y V O . II c

[E22D2 at% Nd:YVO( i c 3 5 at% Tm + 0.4 at% Ca:YVO.

Rys. 43. W zględne zmiany dyfuzyjności cieplnej dla monokryształów Y V 0 4 domieszkowanych neodymem, tulem oraz wapniem w odniesieniu do czystego monokryształu: a) wzdłuż kierunku || c, b) wzdłuż kierunku 1 c.

O bniżenie dyfuzyjności cieplnej w tem peraturze bliskiej pokojowej próbek W O 4 dom ieszkow anych 1 at% N d, 2 at% Nd oraz 5 at% Tm + 0,4 at% Ca w stosunku do czystej w ynosi kolejno: 27% , 47% i 62% dla kierunku || c. N atom iast dla kierunku 1 c zm iany te są w iększe i sięgają odpow iednio 37%, 51% oraz 72%,

W yniki otrzym ane dla próbek GdCOB potw ierdzają, że dom ieszkow anie kryształu pow oduje zm niejszenie dyfuzyjności cieplnej (rys. 44).

Rys. 44. W zględne zm iany dyfuzyjności cieplnej w kierunku X, Y i Z dla m onokryształów GdCO B dom ieszkow anych neodym em i iterbem w odniesieniu do czystego m onokryształu.

Jednak interesujący je st fakt, że dom ieszka 4 at% Nd pow oduje w iększy spadek dyfuzyjności cieplnej dla w szystkich rozw ażanych kierunków niż dom ieszka 7 at% Yb.

W tem peraturze 41 °C - 45 °C dom ieszka neodym u obniża dyfuzyjność cieplną w zdłuż X o 27% , w zdłuż Y o 22% i Z o 35%. N atom iast w prow adzona dom ieszka iterbu zm ienia ją 0 12% d la X , 16% dla Y i 21% dla Z.

Taki efekt m oże być spow odow any różnym lokow aniem się dom ieszek Yb i Nd w strukturze krystalicznej GdCOB. W pracy [87] zbadano w pływ dom ieszek iterbu 1 neodym u na stałe sieciowe tych m onokryształów . O kazało się, że jony Yb o znacznie m niejszym niż jo n y Nd prom ieniu jonow ym pow odują zw iększenie stałych sieciowych kom órki elem entarnej kryształu GdCOB. W yciągnięto w niosek, że jo ny iterbu m ogą lokować się w przestrzeniach m iędzyw ęzłow ych (BO 3)

N a podstaw ie w yników otrzym anych w niniejszej pracy, m ożna przypuszczać, że jony neodym u zastępują atom y w w ęzłach sieci krystalicznej i stanow ią tym samym większy defekt.

W pływ dom ieszkow ania w w yższych tem peraturach na dyfuzyjność cieplną m onokryształów

Chociaż dom ieszkow anie pow oduje w yraźny spadek dyfuzyjności cieplnej badanych m onokryształów w niższych tem peraturach w porów naniu do czystych próbek, to wraz z rosnącą tem peraturą w pływ dom ieszki maleje, co m ożna zaobserw ow ać na rys. 42-44.

Dzieje się tak dlatego, że w kład w obniżenie dyfuzyjności cieplnej jaki wnosi rozpraszanie fononów na dom ieszkach pozostaje stały, a w raz z rosnącą tem peraturą zaczyna dominować rozpraszanie fononów na fononach. W rezultacie, gdy drugi z m echanizm ów jest w ystarczająco silny w wysokich tem peraturach, w pływ dom ieszki na dyfuzyjność cieplną kryształu m oże być zaniedbywalny.

Fakt ten je st w idoczny w krysztale 3 at% Y b:Y A G , gdzie dyfuzyjność cieplna w tem peraturze 34/35 °C je st niższa od niedom ieszkow anego Y AG o 39% , ale w tem peraturze 300 °C różnica ta wynosi ju ż zaledw ie 1% (rys. 42). Podobny efekt w ystępuje dla próbek słabo dom ieszkow anych wanadem.

Jedynie dyfuzyjność cieplna próbki YAG dom ieszkow anej 25 at% Yb je st nadal niższa o 29% w tem peraturze 300 °C. Kry ształ ten może być traktow any, jak o roztw ór stały kryształów Y A G i YbAG z w ysoką koncentracją centrów rozproszeniow ych, co pow oduje, że w w ysokich tem peraturach rozpraszanie fononów na defektach je st stale najw ażniejszym m echanizm em .

W przypadku m onokryształów Y V 0 4 w raz z rosnącą tem peraturą w pływ dom ieszek słabnie. Jednak, otrzym ane wyniki pokazują, że w tem peraturze 300 °C dyfuzyjności cieplne dom ieszkow anych próbek ciągle różnią się od czystej próbki. Różnica ta w ynosi 15%, 28%

i 53% dla dom ieszki 1 at% Nd, 2 at% Nd i 5 at% Tm + 0,4 at% Ca w zdłuż kierunku c (rys. 43 a), a w kierunku prostopadłym do c odpow iednio 12%, 27% oraz 56% (rys. 43 b).

Zm iany dyfuzyjności cieplnych m onokryształów GdCOB dom ieszkow anych 4 at% Nd i 7 at% Yb także maleją w raz z rosnącą tem peraturą. W efekcie, w okolicy 300 °C osiągają porów nywalne wartości dyfuzyjności cieplnej z niedom ieszkow aną próbką GdCOB w granicach niepew ności pom iarowych. Zm iany dyfuzyjności cieplnych w zdłuż w szystkich kierunków w tem peraturze 300 °C dla próbki 4 at% Nd: GdCOB nie przekraczają 6 %, a dla próbki 7 at% Y b:G dCOB - 4% (rys. 44).