Master's Thesis

High-entropy ceramic materials with a garnet structure for optical applications

Final Thesis 3.17 MB

Author of thesis: Ing. Adam Valúch

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Daniel Drdlík, Ph.D.

Reviewer: Ing. Hynek Hadraba, Ph.D.

Abstract:

This diploma thesis deals with the preparation and characterization of high-entropic ceramics based on the garnet structure, specifically (Er0.05Yb0.35Y0.2Lu0.2Gd0.2)3Al5O12, and studying its optical properties. The powder precursor was prepared using combustion synthesis, which made it possible to achieve atomic homogeneity already at the liquid phase stage. The rapid combustion process prevented unwanted separation of components, which turned out to be crucial for the subsequent formation of a stable high-entropic phase. The prepared spherical nanoparticles provided a high driving force for the sintering process of the material. The compaction process itself was carried out using advanced Spark Plasma Sintering (SPS) technology. The critical sintering temperature was determined to be 1450 °C, at which a relative density of 99.9% was achieved. Research into the influence of the applied mechanical pressure on the final microstructure and density during SPS showed that a value of 30 MPa was sufficient for the given system and further increase up to 70 MPa did not lead to a significant improvement. In terms of heating rate, it has been shown that it does not have a significant effect on the resulting average grain size, but it significantly affects the optical properties. At low heating rates, it promoted undesirable surface diffusion in the medium temperature range, which led to premature closure of pores at grain boundaries without effective densification of the material. Rapid heating (100 °C/min) eliminated these negative factors and suppressed surface diffusion and allowed a rapid transition to the high temperature range, where dominant volume diffusion ensured effective displacement of residual porosity, which was crucial for achieving translucency of high-entropic YAG. Structural analysis confirmed that the resulting material was composed of five evenly distributed rare earth elements (Er, Yb, Gd, Lu, Y), which occupy dodecahedral positions of the garnet lattice. Photoluminescence measurements at 980 nm excitation demonstrated successful activation of Er3+ and Yb3+ ions, with up-conversion spectra showing characteristic green and dominant red emission. The final product is a translucent ceramic with high phase purity, which represents a stable platform for advanced optical and luminescent applications.

Keywords:

High-entropic ceramic materials; yttria-aluminum garnet; combustion synthesis; Spark Plasma Sintering; photoluminescence

Date of defence

10.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student prezentoval svoji diplomovou práci, byly přečteny posudky vedoucího práce a oponenta práce. Otázky oponenta: 1. otázka - zodpovězeno 2. otázka - zodpovězeno 3. otázka - zodpovězeno Otázky komise: Co je v tomto případě zhášení? Upřesnění - vztah k luminiscenci (zodpovězeno) Proč mohl použít tým prof. Wu menší teplotu SPS než bylo v této práci. (částečně zodpovězeno) High entropy versus rozšíření emisních pásů - mohl byste tento jev vysvětlit? (zodpovězeno) Proč jste použil 2 různé buňky v krystalografickém popisu. Jsou v granátu atomy v jasně daných pozicích? (zodpovězeno) Je rozšíření emisního pásu tak důležité, aby se muselo jít cestou vysokoentropické keramiky? Je něco levnějšího? Vyplatí se do toho investovat? (zodpovězeno) Jaký je význam v práci počet pórů na plochu pórů? (zodpovězeno) Jak jste hodnotil velikost pórů? Kterým parametrem (ekvivalentní hodnota či největší rozměr)? (částečně zodpovězeno) Proč není v XRD vidět fáze s chemickém složením, odpovídajícím použité látce? (částečně zodpovězeno)

Language of thesis

Slovak

Faculty

Department

Study programme

Materials Engineering (N-MTI-P)

Composition of Committee

prof. Ing. Libor Pantělejev, Ph.D. (předseda)
Ing. Lukáš Řehořek, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Klára Částková, Ph.D. (místopředseda)
prof. Ing. Ivo Dlouhý, CSc. (člen)
Ing. Martin Zelený, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Karel Maca, Dr. (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Daniel Drdlík, Ph.D.

Bc. Adam Valúch vypracoval diplomovou práci se zaměřením na vysoce-entropickou keramiku se strukturou granátu, kde je část yttritých kationtů nahrazena prvky vzácných zemin. Tento typ keramiky měl po syntéze práškového materiálu a jeho zhutnění metodou Spark Plasma Sintering prokázat optické vlastnosti, konkrétně fotoluminiscenci.

Diplomová práce je členěna v klasickém uspořádání na teoretickou, experimentální a výsledkovou část. V teoretické části student vypracoval obsáhlou rešerši týkající se materiálů s vysokou entropií, popsal granátovou strukturu, zmínil slinovací techniky pro zhutnění tohoto typu materiálu a definoval základní techniky pro stanovení optických charakteristik. Tím prokázal velmi dobrou schopnost orientovat se ve vědecké literatuře a dobře interpretovat získané poznatky. V experimentální části pak připravil hutná tělesa, která sice nedosáhla původně zamýšleného transparentního stavu, ale byla translucentní. V práci se následně snažil fázovou a mikrostrukturní analýzou odhalit příčinu tohoto chování. V závěru práce pak stanovil fotoluminiscenční vlastnosti.

Student přistupoval k náročné experimentální práci samostatně a aktivně, prokázal samostatnost při návrhu postupu experimentů, důslednost a přesnost při provádění experimentů v laboratoři a při vyhodnocování výsledků. Práce je dobře strukturovaná, má dobrou formální úpravu, závěry jsou logické a dobře podložené.

S dosaženými výsledky a diplomovou prací Bc. Adama Valúcha jsem spokojen. Stanovené cíle byly bezezbytku naplněny, a proto doporučuji práci k obhajobě. Práci hodnotím celkovou známkou A.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality B
Ability to interpret achieved results and draw conclusions B
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout A
Grafic layout, used style and language level A
Work with used sources including quotations A
Student's independence when working on the topic A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Hynek Hadraba, Ph.D.

Předložená diplomová práce se zabývá přípravou kompozičně komplexních keramických materiálů se strukturou granátu pro optické aplikace. Zvolené téma považuji za velmi aktuální.

V teoretické části autor přehledně shrnuje problematiku kompozičně komplexních keramických materiálů, principy vysoké konfigurační entropie a vlastnosti granátových struktur pro optické aplikace. Experimentální část práce je zaměřena na přípravu transparentní granátové keramiky a studium vlivu podmínek SPS slinování na její mikrostrukturu, pórovitost a fotoluminiscenční vlastnosti. Za zvláště přínosnou považuji diskusi o vlivu slinovacích podmínek na výslednou mikrostrukturu, která názorně ukazuje hledání kompromisu mezi dosažením vysoké hustoty materiálu, eliminací jeho zbytkové pórovitosti a omezením nadměrného růstu zrn. Práce je zpracována systematicky, výsledky jsou přehledně prezentovány a vhodně diskutovány.

Za hlavní přínos práce považuji přípravu a charakterizaci kompozičně komplexní granátové keramiky vykazující fotoluminiscenční vlastnosti a studium vlivu parametrů SPS slinování na její mikrostrukturu a optické chování. Celkově mohu konstatovat, že předložená diplomová práce splňuje požadavky kladené na tento typ závěrečných prací. Doporučuji diplomovou práci k obhajobě a hodnotím ji celkovou známkou A.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions A
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout A
Grafic layout, used style and language level A
Work with used sources including quotations A
Topics for thesis defence:
  1. 1) Na straně 4 uvádíte vztah pro výpočet konfigurační entropie míchání ΔSmix. Určete, prosím, hodnotu konfigurační entropie pro Vámi připravený systém a diskutujte, zda jej lze z tohoto pohledu považovat za klasický vysoceentropický materiál nebo spíše za kompozičně komplexní keramiku (CCC).
  2. 2) Jaké důvody Vás vedly k volbě konkrétního složení připraveného granátu, zejména poměru iontů Er a Yb, a jak toto složení ovlivňuje výsledné fotoluminiscenční vlastnosti materiálu?
  3. 3) Jak si Vámi připravený materiál stojí ve srovnání s obdobnými transparentními granátovými keramickými materiály publikovanými v literatuře, zejména z hlediska mikrostruktury, transparentnosti a fotoluminiscenčních vlastností?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová