Boletín de la Sociedad Española de Cerámica y Vidrio (Nov 2022)
Structure–property relationship and spectroscopic studies of BaO–B2O3 oxide glasses containing ZnO for optical applications
Abstract
In the present work, samples of barium borate glasses containing different molar ratios of ZnO were prepared using the conventional melt-quenching technique. X-ray diffraction studies confirmed the amorphous nature of the studied materials. Structural analysis using FT-Infrared confirmed the incorporation of the Zn atom in the glass matrix as a ZnO4 unit and the existence of ZnO in the tetrahedral interstitial sites. TEM images for the studied materials show that the average particle size is about 20 nm and the ZnO4 structural units reside in the glass matrix with high homogeneity. Density and molar volume studies manifested an increase in the density as the amount of ZnO increases and a subsequent decrease in the molar volume. UV absorption studies showed a blue shift in the absorption peak from 343 nm to 315 nm. Additionally, an observed reversible behavior around 338 nm divides the absorption range into high energy and low energy regions. In the high energy region, both absorbance, absorption coefficient, and refractive index increased with ZnO content increment. In the low energy region, this behavior was reversed, and the calculated values of the refractive index agreed with the measured ones in this region. Studies of optical dielectric parameters showed a Debye-type relaxation process in which increasing the ZnO content shortens the sample relaxation time. Our results, collectively, suggest the studied materials for several optoelectronic device applications such as high-energy optical filters, optical switches, and frequency converters. Resumen: En el presente trabajo se prepararon muestras de vidrios de óxido de borato de bario que contienen diferentes proporciones molares de ZnO, utilizando la técnica convencional de melt-quenching. Los estudios de difracción de rayos X confirmaron la naturaleza amorfa de los materiales estudiados. El análisis estructural utilizando FT-Infrared confirmó la incorporación del átomo de Zn en la matriz del vidrio como una unidad de ZnO4 y la existencia de ZnO en los sitios intersticiales tetraédricos. Las imágenes TEM de los materiales estudiados muestran que el tamaño promedio de partícula es de aproximadamente 20 nm y las unidades estructurales de ZnO4 residen en la matriz de vidrio con alta homogeneidad. Los estudios de densidad y volumen molar manifestaron un aumento de la densidad con el incremento de la cantidad de ZnO y una posterior disminución del volumen molar. Los estudios de absorción de UV mostraron un corrimiento al azul en el pico de absorción de 343 a 315 nm. Además, un comportamiento reversible observado alrededor de 338 nm divide el rango de absorción en regiones de alta y baja energía. En la región de alta energía, tanto la absorbancia como el coeficiente de absorción y el índice de refracción aumentaron con el incremento del contenido de ZnO. En la región de baja energía, este comportamiento se revirtió, y los valores calculados del índice de refracción coincidieron con los datos experimentales en esta región. Los estudios de parámetros dieléctricos mostraron un proceso de relajación tipo Debye en el que el aumento del contenido de ZnO acorta el tiempo de relajación de la muestra. Nuestros resultados, en conjunto, recomiendan los materiales estudiados para varias aplicaciones de dispositivos optoelectrónicos, como filtros ópticos de alta energía, interruptores ópticos y convertidores de frecuencia.
