yfeo3晶体的制备及其在磁光材料中的应用

yfeo3晶体的制备及其在磁光材料中的应用

1磁光晶体材料在通信领域的应用通信能力强、频带宽、通信能力强、连续距离长、抗干扰性强、保密性强等优点，已成为世界上最先进的高科技领域。有关资料表明,目前有80%以上的信息量是通过光传输的。强烈的市场驱动和巨大的社会发展需求促使光通信技术的发展日新月异,并使信息产业进入一个持续高速发展的新时期。因此,光通信技术被公认为是当前光科技领域的研究核心和主旋律,将成为推动21世纪通讯技术的重要动力和新的经济增长点。光隔离器是现代光通信技术等领域中不可缺少的关键器件之一。作为一种单向器,光隔离器是一种光非互易传播光纤无源器件。作为磁光隔离器核心部件,法拉第转子材料的磁光性能对于光纤电流传感器的性能有着重要的影响,所用磁光晶体材料的品质,直接关系到器件隔离度和信息传输质量。因此,长期以来人们一直在寻找快速响应和高灵敏度的新型磁光材料。近年来,钙钛矿结构的YFeO3晶体引起了人们的关注。YFeO3具有在近红外波段有很高的磁光优值及饱和磁化强度低和居里温度高(643K)的特点。为此在这篇文章中,笔者结合自己的研究以及国内外YFeO3晶体的研究概况,重点介绍该晶体的生长和磁光性能。2yfeo3的高温相YFeO3晶体是钙钛矿结构的铁氧体,它最初是作为磁存储材料被研究的。与传统的石榴石结构磁光晶体YIG相比,YFeO3是Fe2O3-Y2O3体系的高温相。如图1所示:YFeO3是一致熔融化合物,其熔点为1710℃。上世纪五六十年代,为研究其磁存储性能,国内外尝试了多种方法生长YFeO3,如水热法、提拉法、坩埚下降法、助熔剂法和光学浮区法等。2.1yfeo3高温熔体的生长特性1961年,Horn首先采用提拉法生长了YFeO3晶体。他采用化学计量比的Fe2O3和Y2O3作为起始原料,在铱坩埚直接溶化。以铱丝为籽晶,在N2气氛下,生长出∅15mm×5mm的YFeO3晶体。进一步的生长研究发现,YFeO3高温熔体对流非常强烈,非稳态振荡性的熔体不易于晶体生长,熔体表面张力很大,有沿坩埚壁向外溢的倾向。熔体的这些性质,对晶体生长的表现则为熔体液滴在坩埚顶部发生结晶,对旋转的晶体产生干扰。这样以该方法生长晶体,定向生长十分困难,而晶体形状极不规则。2.2yfeo3晶体的水热法生长上个世纪六十年代,Kolb等人系统研究了稀土铁氧体的水热法生长,也系统研究了YFeO3晶体的水热法生长,其生长条件如表1所示。虽然该研究获得了一定尺寸的晶体,并实现了晶体的定向生长。但是生长出的晶体质量很差,而且生长周期长。2.3yfeo3晶体生长特性在Kolb等人以水热法研究稀土铁氧体的晶体生长的同时,Remeika等人采用PbO基复合助熔剂系统研究了稀土铁氧体的晶体生长。YFeO3晶体的生长工艺如表2所示。助熔剂法使溶质相在远低于其熔点温度下进行生长,溶质从过饱和溶液中析出。对YFeO3晶体而言,在较低温度下生长,熔体特性发生改变,非稳态振荡对流得到改善。但是PbO、Bi2O3等助熔剂对Pt坩埚有一定的腐蚀,而且复合助熔剂比较难控制,生长的晶体有Fe3O4、YIG、PbFe12O19等相,严重影响了晶体质量。2.4yfeo3的合成由于YFeO3高温熔体特殊的物理化学性能,使得提拉法生长该晶体十分困难。1971年,Blank等人采用坩埚下降法进行YFeO3晶体的生长研究。采用的是化学计量比的Fe2O3和Y2O3,首先以1450℃预烧16h,合成YFeO3多晶料;而后在1710℃以上的温度保温12~24h,最后以0.8mm/h下降,并在1600℃保温24h,对晶体进行退火处理。最后获得了∅15mm×28mm的晶锭。但是进一步的研究发现,所获得的晶锭为多晶。近年来,申慧等人采用通气诱导成核的助熔剂坩埚下降法制备了新型磁光晶体YFeO3及稀土掺杂或置换的系列晶体。她们选择PbO-PbF2-B2O3三元体系作为复合助熔剂,在Pt坩埚中生长晶体,容易得到片状结晶。该方法的优点在于,采用助熔剂可使生长温度大为降低,而通气成核技术有助于控制自发成核数目,获得较大单晶。2.5浮区法晶体生长及其应用浮区法是从上个世纪五十年代发明的一种新型晶体生长方法,具有无需坩埚、无污染、生长速度快等优点,对于一些难以生长(包含提拉法不能生长的晶体)而且/或者易污染的晶体,显示出很大的优越性。该方法不仅丰富了晶体生长手段,而且有利于缩短普通晶体的探索、研究周期并加快难以生长晶体的研究进程。起初,光学浮区法晶体生长装置被看作一种新型的为新晶体探索而研制的快速晶体生长设备。所以尽管日本学者Makino等人采用浮区法生长了多种稀土铁氧体,并申请了相关专利,却并没有开展进一步的晶体表征和物理性能研究。近年来,由于器件设计对晶体尺寸的要求越来越小,该方法获得了应有的重视。国内外相继开展了YFeO3晶体的浮区法生长研究,而光学浮区法无需坩埚,正好利用熔体表面张力大的特点,被证明是生长YFeO3晶体的有效方法,有关该方法生长YFeO3晶体的相关研究还在进行中。3yfeo3晶体的特性磁光(magneto-optical,MO)效应是指在磁场的作用下,物质的电磁特性(如磁导率、介电常数、磁化强度、磁畴结构、磁化方向等)会发生变化,因而使通过它的光的传输特性(如偏振状态、光强、相位、频率、传输方向等)也随之发生变化。光在磁场作用下通过这些物质时传输特性发生的变化。这些效应应用最广泛的是法拉第效应,这样反映磁光材料的主要性能指标包括:比法拉第旋转θF、光吸收系数、比法拉第旋转温度系数、比法拉第旋转波长系数和磁光优值等。由于YFeO3晶体生长方面的困难,现在还没有获得高质量、大尺寸的晶体,所以对该晶体磁光性能的研究还在起步阶段。不过Didosyan等人研究了YFeO3晶体在红外波段的法拉第旋转,他们的研究表明:与传统的YIG相比,YFeO3晶体在近红外波段有很高的磁光优值。另外,他们进一步研究发现,YFeO3是一种在可见和近红外波段透明的铁磁材料,特别在近红外波段有很高的磁光优值;低的饱和磁化强度;矫顽力可控,可以从0.01变到几百Oe;畴宽度比YIG要宽很多,畴壁运动范围大,畴壁运动速度是磁性介质中最快的。这些研究表明了YFeO3晶体的巨大应用潜力。近年来,Hauser等人基于这些性质,开展了YFeO3晶体器件开发的初步研究。研究发现,在器件应用上YFeO3晶体有一系列的优势:(1)在磁光开关应用中,开关速度非常快,开关时间为100ns。而目前商用YIG开关时间是300µs。(2)在磁光传感器应用中,将法拉第效应和畴壁运动相结合,适用的频率范围和温度范围大,测量的灵敏度高(S=15%/µT,而YIG的灵敏度只为S=0.12%/µT),受光纤、传感器的透明性、光的波长和强度的影响很小。(3)在光点位置测量应用中,测量的分辨率和取样速度要超过CCD