钇铁石榴石（yig）应用
发布日期：2023-12-21 浏览次数：18
随着微波通信技术、光纤通信技术的发展，对系统与各种终端的小型化、低损耗的发展需求越来越高，各种微波器件、磁光器件的平面小型化是关键。yig 在近红外辐射下呈现全透明状态，且在可见光下呈现半透明状态，因此也成为支撑这些器件小型化薄膜化的最有效的手段之一。同时，yig 本身是微波性能优异的、已经广泛应用的重要的微波旋磁材料，所以 yig 一直是国内外研究的热点。
1958 年美国贝尔实验室的狄龙率先发现红外及近红外光在yig 单晶中能实现有效传输并研究了在一定光波长范围的法拉第旋转和光吸收特性 。在上世纪 70 年代初出现了使用液相外延 (liquid phase epitaxy 简称 lpe)的方法制作 yig单晶薄膜问世的报导，使人们对 yig 薄膜材料的应用研究领域开展了广泛的探索，如磁光信息存储磁光传感器、静磁自旋波、磁光传输等。在持久不懈的努力下，越来越多的制备方法被发现、被使用，如脉冲激光沉积法、射频磁控溅射法、化学气相沉积法等方法。
在 1973 年，roberson 及其所在研究小组首次发现用 bi3 取代其它三价稀土离子对光吸收的影响不大,但是可以显著增加磁光效应，并指出当 yig 铁氧体材料晶体的 y3 被 b3 所取代，法拉第效应将会被大大增强。美国 seprry 和 rockwell公司用 la:yig和 bi:yig 单晶薄膜制成了磁光偏频元件:用于导航系统中的激光陀螺。最近美、日、法等国的许多研究小组又以不同的方式成功地获得了高掺 bi3 稀土铁石榴石薄膜，显示了该材料地广阔应用前景。事实上，薄膜所具有的单轴磁晶各向异性会随着生长条件的改变而改变，此外，向薄膜中掺入不同的元素也会影响薄膜的单轴磁晶各向异性。而对于薄膜元素替代所造成影响最大的便是居里温度，由具体数据，我们可以得出:当yig 铁氧体材料晶体中的 y3 被 bi3 所取代，居里温度可以变化38℃。
对于不同膜厚以及铁磁共振线宽材料的制备研究，位于乌克兰的“carat”采用lpe技术已制备出了由1.5-100μm的薄膜至100-1500nm的超薄膜，此外，还有100-120μm的大厚度单晶薄膜，线宽均小于2oe,最小线宽可到0.3 oe。中国电子科技大学微电子与固体电子学院制备出了单晶膜线宽小于3oe的yig单晶膜，此外，中国电子科技集团九所针对与静磁自旋波器件、yig单晶磁调器件的工程应用背景，也在yig单晶薄膜液相外延生长等方面开展了大量的工作，目前制备的液相外延yig单晶薄膜膜厚可达200μm,铁磁共振线宽低于3oe。在2012年，乌克兰的ii syvorotka等人制备出了有两种膜面得的单晶厚膜，一面是条状，而另一面是镜面，这在薄膜制备历史上突破了单一膜面的限制，并且他们研究出，膜面由条状面到境面的转换可以通过加入b₂o₃达到。syvorotka等人所采取的制备方法是液相外延工艺，他们通过液相外延工艺得出：当(111)晶向的y2.93la0.07fe5o12的外延膜生长速率在0.1-0.8 μm/min之间，且厚度达到130μm时，很有可能得到镜面膜。
近五年来，国际上对yig薄膜的研究成果报导非常活跃。研究主要集中在采用不同制备工艺以及离子掺杂方式设计及制备复合yig薄膜。其中福州大学付秋萍、陈建中等人2014年报导了采用clngg(ca2.899li0.304nb1.926ga2.757o12)单晶基片以及lisla₃nb₂oi₂掺杂的clngg(ca2.382la0.568li0.72nb2.005ga2.262o12,lclngg)单晶基片，研究了ce:yig单晶薄膜的生长工艺，研究表明，这两种单晶基片的晶格常数、热膨胀系数等都与ce:yig单晶薄膜最为接近，是生长高性能、大厚度ce:yig单晶薄膜的理想基片。2013年andrew d.block等人采用射频溅射方式在介质基片上生长yig薄膜，膜厚7-45nm,bi:yig薄膜具有0.17%um法拉第偏转角，ce:yig薄膜具有0.37°/um法拉第偏转角；2014年a.sposito等人采用组合pld工艺，在yag衬底上制备了bi:yig、ce:yig薄膜，并研究了工艺对于铁磁共振线宽的影响。
另外在低功耗高集成领域随着集成电子功能器件的尺寸进入纳米量级，功率损耗与器件集成度的矛盾越发凸出，而电子的自旋维度开启了全新的信息承载模式，其低功耗、高速和量子化特性将迎来后微电子时代电子信息器件的全新变革。自旋电子学的发展依赖于对电子自旋状态进行有效调控。目前，已有多种方法可以产生纯自旋流，如自旋霍尔效应、铁磁共振自旋泵浦(spin pumping)等，美国霍普金斯大学c.l.chien研究组指出，生长于绝缘磁体yig上的pt薄膜表现出磁的输运特性，导致其中多重物理效应的纠缠，pt的磁近邻效应成为问题的关键，pt对界面处yig磁性的改变会对自旋注入效率产生很大的影响。
在基础材料的大量研究工作开展的同时，基于yig材料的相关应用器件技术研究工作也吸引了大量研究者，2014年yuya shoji,takuya nemoto研究了ce:yig薄膜反射系数与温度的关系以及ce:yig薄膜磁光系数，并研究了该材料在波导光隔离器中的应用;2016年kotoko furuya等人研究了一种ce:yig磁光薄膜材料，并基于此设计了光学隔离器。2017年jie li,tingting tang等人基于ce:yig薄膜设计了一种新结构，以此来增强横向kerr效应。2016年gang wang等人通过外延生长制备了yig薄膜，并研究了基于此设计的片上螺旋电感。
国外常见的yig薄膜器件有滤波器、延迟线、振荡器等，延迟线方面：俄罗斯tekona研究所研制的色散延迟线系列可工作在-60～ 85 ℃之间，并且延时8～200 ns,分段工作频率1～18ghz,插损最小仅2db;美国westing-house公司研制的线性色散延迟线可工作在-50～ 80℃之间，并且延时60～200ns,分段工作频率8～12 ghz,插损最小达25db;而yukobljanskyj发展了一种rr(relaxation reversa1)机理，延时可达1μs。这三种延迟线都具有质量轻、体积小的特点，它们在军事应用中均取得了突破性进展。
对于应用器件，随着振荡器技术的不断发展，目前msw振荡器自身已经具备了微波信号源。将单片微波电路和msw中的有源金属片延迟线组合形成具备微波信号的振荡器，2.76~2.95ghz的中心频率以及3db的带宽，使其相位噪音大大降低，微波信号的稳定性大大提升。目前在乌克兰以及俄罗斯等国家，采用振荡器制作而成的微波信号源其相位噪声被大大降低，通常可降低至-111db,因其相位噪声较低，该振荡器在军事上得到了广泛的推广与使用。目前，国内还有电子科大、华中科大、国防科大、浙江大学等从事微波单晶薄膜的lpe生长和应用研究。
综上所述，无论多晶还是单晶yig薄膜在微波与磁光方面的优异特性，应用前景非常广阔。其发展趋势对于磁光器件应用的yig薄膜材料来说需要有高的磁光优值、100μm以上较厚的厚度，低缺陷浓度；对于微波应用的yig薄膜则需要有低的铁磁共振线宽、适中的饱和磁化强度、较厚的厚度；对于基础研究领域的yig薄膜而言，纳米级厚度的薄膜与高的薄膜均匀性、低的缺陷密度等是未来发展的目标。