釔螢石

無色螢石單晶體具有優異的光學特性，如寬廣的透劉波段( 0.13-9.0微米);高度的透明度(10公分厚的晶體透過率高達95%以上)。所以螢石很早就被用作光學材料，製造紫外、紅外儀器的分光稜鏡、透鏡、透射窗口和濾光片等。螢石還具有可見光區內色散很小的特點，常被用作復消色差材料。但是螢石也存在一些明顯的缺陷，如熱膨脹係數高，熱導率低，經不起熱震，硬度擠低，解理完全，經不起強烈機械衝擊，同時長期在室外使鉬表面會形成乳白色膜，顯著降低透過率等。因此螢石在現代科學技術應用中受到很多限制。為了充分發揮螢石的優異光學特性，提高螢石的物理性能，或者另外尋找一種既有螢石光學特點又克服了螢石各種缺點的晶體，近年來我們開展了相應的礦物物理學研究工作，其中特別着重與螢石成因、結構、成分有關的礦物進行系統分析對比工作。為了使實驗數據能密切聯繫生產實際，研究對象主要選取具有螢石結構的，易於人工合成的各種氟化物單晶體。初步研究發現，無色釔螢石單晶體具有與螢石一樣的優異光學特性，其各種物理性能均比螢石有所提高。例如，憶螢石的折光率、硬度比螢石稍高，解理不發育、機械強度也較螢石為大，熱膨脹係數和在水中溶解度又較螢石為小，易於合成大而均勻性良好的晶體，作為摻釹的激光材料在室温下便發出激光。因此釔螢石是一種值得注意的新的光學材料 ^[1]  。

自然界中的釔螢石產於偉晶岩和氣成熱液礦牀中，是較罕見的礦物。其化學組成為（Ca, Y）F₂-₃，即為CaF₂和YF₃，的類質同像體，其中CaF₂和YF3的含量比是可變的。一般在釔螢石中YF₃含量常在10%以上。釔螢石在結晶過程中，Y₃+離子取代Ca₃+離子的位置，取代後靜電平衡靠導入一個額外的F-離子來補償。

無色透明的釔螢石單晶體能連續透過波長從2000Å至9微米的紫外、可見至紅外光

線，其透過率高達95%以上，透過曲線與螢石類似。波長2000Å以前的紫外線透過特性我們沒有測量，看來往前還是能再透過一段的。

釔螢石透紫外線特性比螢石好。一般螢石單晶往往不透波長2000Å至1300Å紫外線。但是在人工生長螢石時，若摻雜1-2%YF₃，則易於透過2000Å至1300Å的紫外線。

初步試驗發現，適當摻雜稀土教離子(Nd³+)的釔螢石，做成激光材料時，在常温下便發出1.06微米波長的激光，而螢石則要在低温(77°K)下才發出激光。據報導，摻欽憶螢石甚至在較高温度下(如450°K至1000°K)還繼續發出激光，而激光性能沒有變化 ^[2]  。

釔螢石結構為等軸晶系，空間羣為Fm 3m,α=5.48,z=4。釔螢石為CaF₂和YF₃的類質同像體，由於Ca²﹢離子半徑和Y³﹢離子半徑均為1.06Å，而且過剩的F﹣離子處於螢石型結構八面體的中間結點位置上，它不會引起晶格發生大的畸變，只是釔螢石晶胞較螢石晶胞稍大一些（表1）。

釔螢石的折光率、硬度和比重隨着YF₃含量的增大而有所升高。下表(表2)是我們在同樣條件下所測試的數據(為了進行對比，把螢石的相應測試數據也列入表內)。釔螢石在各種温度範圍內的熱膨脹係數均比螢石稍小，詳見下表3。

釔螢石的熔點≈1400℃,稍高於螢石熔點1360℃。釔螢石的解理不發育，斷口常呈鋸齒狀。螢石解理完善，斷口常沿解理面平行裂開。釔螢石在水中的溶解度我們沒有進行具體測量，但是根據固體物理知識可以推知，釔螢石在水中的溶解度比螢石為小。因為在釔螢石結晶過程中Y³﹢離子置換Ca²﹢離子時，Y³﹢的能量係數3.95比Ca²﹢的能量係數1.75大，亦即Y³﹢置換Ca²﹢而形成釔螢石時，在能量上有多餘，增加了晶格能，使晶體變得更為穩定，更為堅固難溶 ^[3]  。