[科普中国]-钇萤石

简介

无色萤石单晶体具有优异的光学特性，如宽广的透刘波段( 0.13-9.0微米);高度的透明度(10公分厚的晶体透过率高达95%以上)。所以萤石很早就被用作光学材料，制造紫外、红外仪器的分光棱镜、透镜、透射窗口和滤光片等。萤石还具有可见光区内色散很小的特点，常被用作复消色差材料。但是萤石也存在一些明显的缺陷，如热膨胀系数高，热导率低，经不起热震，硬度挤低，解理完全，经不起强烈机械冲击，同时长期在室外使钼表面会形成乳白色膜，显著降低透过率等。因此萤石在现代科学技术应用中受到很多限制。为了充分发挥萤石的优异光学特性，提高萤石的物理性能，或者另外寻找一种既有萤石光学特点又克服了萤石各种缺点的晶体，近年来我们开展了相应的矿物物理学研究工作，其中特别着重与萤石成因、结构、成分有关的矿物进行系统分析对比工作。为了使实验数据能密切联系生产实际，研究对象主要选取具有萤石结构的，易于人工合成的各种氟化物单晶体。初步研究发现，无色钇萤石单晶体具有与萤石一样的优异光学特性，其各种物理性能均比萤石有所提高。例如，忆萤石的折光率、硬度比萤石稍高，解理不发育、机械强度也较萤石为大，热膨胀系数和在水中溶解度又较萤石为小，易于合成大而均匀性良好的晶体，作为掺钕的激光材料在室温下便发出激光。因此钇萤石是一种值得注意的新的光学材料1。

钇萤石的化学成分自然界中的钇萤石产于伟晶岩和气成热液矿床中，是较罕见的矿物。其化学组成为（Ca, Y）F₂-₃，即为CaF₂和YF₃，的类质同像体，其中CaF₂和YF3的含量比是可变的。一般在钇萤石中YF₃含量常在10%以上。钇萤石在结晶过程中，Y₃+离子取代Ca₃+离子的位置，取代后静电平衡靠导入一个额外的F-离子来补偿。

钇萤石的光学特性无色透明的钇萤石单晶体能连续透过波长从2000Å至9微米的紫外、可见至红外光

线，其透过率高达95%以上，透过曲线与萤石类似。波长2000Å以前的紫外线透过特性我们没有测量，看来往前还是能再透过一段的。

钇萤石透紫外线特性比萤石好。一般萤石单晶往往不透波长2000Å至1300Å紫外线。但是在人工生长萤石时，若掺杂1-2%YF₃，则易于透过2000Å至1300Å的紫外线。

初步试验发现，适当掺杂稀土教离子(Nd³+)的钇萤石，做成激光材料时，在常温下便发出1.06微米波长的激光，而萤石则要在低温(77°K)下才发出激光。据报导，掺钦忆萤石甚至在较高温度下(如450°K至1000°K)还继续发出激光，而激光性能没有变化2。

钇萤石的物理性质钇萤石结构为等轴晶系，空间群为Fm 3m,α=5.48,z=4。钇萤石为CaF₂和YF₃的类质同像体，由于Ca²﹢离子半径和Y³﹢离子半径均为1.06Å，而且过剩的F﹣离子处于萤石型结构八面体的中间结点位置上，它不会引起晶格发生大的畸变，只是钇萤石晶胞较萤石晶胞稍大一些（表1）。

钇萤石的折光率、硬度和比重随着YF₃含量的增大而有所升高。下表(表2)是我们在同样条件下所测试的数据(为了进行对比，把萤石的相应测试数据也列入表内)。钇萤石在各种温度范围内的热膨胀系数均比萤石稍小，详见下表3。

钇萤石的熔点≈1400℃,稍高于萤石熔点1360℃。钇萤石的解理不发育，断口常呈锯齿状。萤石解理完善，断口常沿解理面平行裂开。钇萤石在水中的溶解度我们没有进行具体测量，但是根据固体物理知识可以推知，钇萤石在水中的溶解度比萤石为小。因为在钇萤石结晶过程中Y³﹢离子置换Ca²﹢离子时，Y³﹢的能量系数3.95比Ca²﹢的能量系数1.75大，亦即Y³﹢置换Ca²﹢而形成钇萤石时，在能量上有多余，增加了晶格能，使晶体变得更为稳定，更为坚固难溶3。