專利名稱：具有矩形磁滯回線和高矯頑磁場(chǎng)的磁光晶體及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于人工體材料領(lǐng)域，具體的說(shuō)是一種具有矩形磁滯回線和高矯頑磁場(chǎng)的磁光晶體。
背景技術(shù)：
釔鐵石榴石(YIG)磁光晶體和薄膜可以用在光隔離器、光纖電流傳感器、激光陀螺、微波器件、環(huán)形器及磁光顯示器等磁光器件中。其中光隔離器是現(xiàn)代光通信技術(shù)等領(lǐng)域中不可缺少的關(guān)鍵器件之一，作為一種單向器，光隔離器是一種光非互易傳播光纖無(wú)源器件。作為磁光隔離器核心部件，所用磁光晶體材料的品質(zhì)，直接關(guān)系到器件隔離度和信息傳輸質(zhì)量。九十年代后，光隔離器的發(fā)展特點(diǎn)是朝著波長(zhǎng)系列化、高指標(biāo)及小型化方向發(fā)展。 因此，長(zhǎng)期以來(lái)人們一直在尋找具有優(yōu)異性能的新型磁光材料。目前用磁光晶體制成的法拉弟轉(zhuǎn)子約Imm厚左右，需要一個(gè)相當(dāng)大的永久磁鐵使其處于飽和磁化狀態(tài)，外加磁場(chǎng)對(duì)光隔離器及分束器等光通訊器件的微型化、集成化及新結(jié)構(gòu)器件設(shè)計(jì)都是不利的。本發(fā)明通過(guò)對(duì)釔鐵石榴石(YIG)的摻雜取代，使晶體具有矩形磁滯回線和高的矯頑磁場(chǎng)，充磁后能形成自鎖，這樣在器件中就不需外加磁場(chǎng)，將非常有利于器件的微型化和集成化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具有矩形磁滯回線和高矯頑磁場(chǎng)的磁光晶體及其制備方法。本發(fā)明的技術(shù)方案一種具有矩形磁滯回線和高矯頑磁場(chǎng)的磁光晶體，所述磁光晶體的化學(xué)表達(dá)式為(Y3(1_x_y)Eu3xBi3y) (Fe55(HGEi5z)O12，其中 0<X<l，0<y<l，0<z < 1。所述磁光晶體的矯頑磁場(chǎng)大于IOOOOe時(shí)，Eu3+離子的摻雜濃度范圍為 IOat% -20at%，即χ的取值范圍為0. 1-0. 2 ；Bi3+離子的摻雜濃度范圍為IOat% -20at%, 即y的取值范圍為0. 1-0. 2 ；( 3+離子的摻雜濃度范圍為20at% -40at%，即ζ的取值范圍為0. 2-0. 4，其中at%表示原子百分比。一種具有矩形磁滯回線和高矯頑磁場(chǎng)的磁光晶體的制備方法，可以采用下列方法之一①光學(xué)浮區(qū)法按下列反應(yīng)方程式稱取各氧化物原料3xEu203+3yBi203+3 (Ι-χ-y) Y203+5 (l_z) Fe203+5zGa203 = 2 (Y3(1_x_y)Eu3xBi3y) (Fe5(1_z) fei5z)012，其中0. 1 < χ < 0. 2，0. 1 < y < 0. 2，0. 2 < ζ < 0. 4。采用傳統(tǒng)固相反應(yīng)燒結(jié)工藝及等靜壓制備多晶料棒，把料棒及籽晶棒裝入光學(xué)浮區(qū)爐中，鹵素石英燈產(chǎn)生的紅外光經(jīng)過(guò)反射聚焦在料棒的底部，形成窄的熔區(qū)，與下部的籽晶相連，原料棒和籽晶桿反向旋轉(zhuǎn)使熔體混合均勻，熔區(qū)一旦穩(wěn)定以后，料棒和籽晶桿同時(shí)向下移動(dòng)，熔體沿籽晶向上結(jié)晶、生長(zhǎng)。當(dāng)原料棒向下移動(dòng)并全部通過(guò)聚焦中心，晶體生長(zhǎng)結(jié)束。即用光學(xué)浮區(qū)法獲得(Y3(1-x-y) Eu3xBi3y) (Fe5(1_z)Ga5z) O12 單晶。
②頂部籽晶法按下列反應(yīng)方程式稱取各氧化物原料3xEu203+3yBi203+3 (Ι-χ-y) Y203+5 (1-z) Fe203+5zGa203 = 2 (Y3(1_x_y)Eu3xBi3y) (Fe5(1_z) Ga5z) O12，其中 0. 1 < χ < 0. 2，0. 1 < y < 0. 2，0. 2 < ζ < 0. 4，使用 Bi2O3 和 B2O3 作為助熔劑，其中作為助溶劑Bi2O3的量為上述反應(yīng)式中Bi2O3重量的4-8倍，B2O3的量為上述反應(yīng)式中總重量的2-6%。將稱取的原料均勻混合并壓塊后放入鉬金坩堝中，使用帶有提拉和旋轉(zhuǎn)裝置的井式電阻爐加熱，在1290°C -1300°C溫度范圍內(nèi)把上述塊狀原料熔化，將Y3Fe5Ojf 晶伸入熔體中，籽晶轉(zhuǎn)速10-20轉(zhuǎn)/分鐘，待穩(wěn)定后緩慢降溫至1230°C-1240°C時(shí)將晶體提拉出液面，即用頂部籽晶法獲得(Y3(1_x_y)Eu3xBi3y) (Fe5(Hfei5z)O12單晶。③液相外延法按下列反應(yīng)方程式稱取各氧化物原料3xEu203+3yBi203+3 (Ι-χ-y) Y203+5 (l_z) Fe203+5zGa203 = 2 (Y3(1_x_y)Eu3xBi3y) (Fe5(1_z) Ga5z) O12，其中 0. 1 < χ < 0. 2，0. 1 < y < 0. 2，0. 2 < ζ < 0. 4，使用 Bi2O3 和 B2O3 作為助熔劑，其中作為助溶劑Bi2O3的量為上述反應(yīng)式中Bi2O3重量的4-8倍，B2O3的量為上述反應(yīng)式中總重量的2-6%。將稱取的原料均勻混合并壓塊后放入鉬金坩堝中，使用帶有提拉和旋轉(zhuǎn)裝置的井式電阻爐加熱，在1290°C -1300°C溫度范圍內(nèi)把上述塊狀原料熔化，將釓鎵石榴石(GGG)基片伸入熔體中，緩慢溫度降至1230°C -1240°C時(shí)，將基片提拉出熔體，即用液相外延法獲得(Y3_x_yEuxBiy) (Fe^zGaz)O12單晶薄膜。④磁控濺射法首先按下列反應(yīng)方程式稱取各氧化物原料3xEu203+3yBi203+3 (Ι-χ-y) Y203+5 (1-z) Fe203+5zGa203 = 2 (Y3(1_x_y)Eu3xBi3y) (Fe5(1_z) Ga5z) O12，其中0. 1 < χ < 0. 2，0. 1 < y < 0. 2，0. 2 < ζ < 0. 4，將稱取的氧化物原料均勻混合并壓成圓塊，在1500°C高溫?zé)Y(jié)M小時(shí)后作為多晶靶材，使用磁控濺射儀上在SiO2或1%0 襯底上制備(Y3(1_x_y)Eu3xBi3y) (Fe5a_z)(}a5z)012非晶薄膜，將獲得的非晶薄膜再通過(guò)1000°C熱處理后最終可得到(Y3(1_x_y)Eu3xBi3y) (Fe5(Hfei5z)O12多晶薄膜。本發(fā)明的原理本發(fā)明的磁光晶體屬于立方晶系，Eu3+和Bi3+都是取代晶體中氧十二面體中心位置的Y3+Aa3+取代晶體中氧八面體或氧四面體中心位置的狗3+離子。此晶體具有高的矯頑磁場(chǎng)和矩形的磁滯回線，如圖1所示的近似矩形的磁滯回線。圖中Bs為飽和磁化強(qiáng)度，Hc為矯頑磁場(chǎng)，其中H。的值大于lOOOOe。飽和磁化后具有高的剩磁比，接近 1，在磁光器件，如光隔離器的應(yīng)用中，可實(shí)現(xiàn)自鎖，不需另加磁場(chǎng)，非常有利于器件的微型化和集成化。通常采用光學(xué)浮區(qū)法或頂部籽晶法生長(zhǎng)YIG釔鐵石榴石單晶，這種方法可以生長(zhǎng)出尺寸較大的具有實(shí)用價(jià)值的單晶；也可以用液相外延法在GGG等襯底上制備YIG單晶薄膜；或者采用磁控濺射法在SiO2或MgO等襯底上生長(zhǎng)非晶薄膜，再通過(guò)熱處理得到多晶薄膜。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于(1)本發(fā)明的磁光晶體具有高的矯頑磁場(chǎng)(即矯頑磁場(chǎng)大約為IOOOOe)和近似矩形的磁滯回線，飽和磁化后具有高的剩磁比，在磁光器件，如光隔離器的應(yīng)用中，可實(shí)現(xiàn)自鎖，不需另加磁場(chǎng)，非常有利于器件的微型化和集成化。(2)本發(fā)明磁光晶體的制備方法采用加入光學(xué)浮區(qū)法和助溶劑頂部籽晶法生長(zhǎng)出高質(zhì)量單晶，用液相外延法和磁控濺射法在襯底基片上可分別生長(zhǎng)出單晶和非晶薄膜，簡(jiǎn)單、易行。


圖1是本發(fā)明的磁光晶體近似矩形的磁滯回線圖。
具體實(shí)施例方式圖1是本發(fā)明的磁光晶體近似矩形的磁滯回線圖，橫坐標(biāo)H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，縱坐標(biāo)M 表示磁化強(qiáng)度。圖中從0 — 1 — 2 — 3 — 4表示在外加磁場(chǎng)的作用下，晶體從反向飽和磁化狀態(tài)轉(zhuǎn)變到正向飽和磁化狀態(tài)，從5 — 6 — 7 — 8 — 9表示外加磁場(chǎng)的作用下，晶體從正向飽和磁化狀態(tài)轉(zhuǎn)變到反向飽和磁化狀態(tài)，兩者結(jié)合是一條完整的磁滯回線。如圖1所示， 此磁滯回線近似矩形，在正向飽和磁化或反向飽和磁后，撤去外加磁場(chǎng)，剩磁比非常高，接近1，另外其矯頑磁場(chǎng)H。也較高，能達(dá)到IOOOOe以上。即從圖中可以看出本發(fā)明磁光晶體的兩個(gè)特點(diǎn)，高的剩磁比和高的矯頑場(chǎng)。此種晶體在飽和磁化后，在光隔離器等應(yīng)用，其中的剩磁可產(chǎn)生自鎖，不需另加磁場(chǎng)，有利于器件的集成化和微型化。實(shí)施例1 生長(zhǎng)分子式為Y2.28Euq.36Bi0.36Fe4.85Ga0.15012的磁光晶體本實(shí)施例中，Eu3+摻雜濃度為12at%，Bi3+的摻雜濃度為12at%，Ga3+離子的摻雜濃度為 3at%，即 χ = 0. 12，y = 0. 12, ζ = 0. 03。分子式為 Y2.28Eu0.36Bi0.36Fe4.85Ga0.^O1 2，將稱取的氧化物原料均勻混合，在1200°C預(yù)燒12小時(shí)，在壓力250Mpa的等靜壓下成圓柱形料棒，原料棒在1500°C燒結(jié)M小時(shí)使其充分反應(yīng)得到直徑約8mm，長(zhǎng)度約IOOmm多晶料棒，把多晶原料棒及籽晶棒裝入光學(xué)浮區(qū)爐中，鹵素石英燈產(chǎn)生的紅外光經(jīng)過(guò)反射聚焦在原料棒的底部，形成窄的熔區(qū)，與下部的籽晶相連，原料棒和籽晶桿反向旋轉(zhuǎn)(轉(zhuǎn)速 10-20轉(zhuǎn)/分鐘)使熔體混合均勻，熔區(qū)一旦穩(wěn)定以后，原料棒和籽晶桿同時(shí)向下移動(dòng)，熔體沿籽晶向上結(jié)晶、生長(zhǎng)。當(dāng)原料棒向下移動(dòng)并全部通過(guò)聚焦中心，晶體生長(zhǎng)結(jié)束。得到的 Y2.28Eu0.36Bi0.36Fe4.85Ga0.15012單晶樣品有近似矩形的磁滯回線，矯頑磁場(chǎng)的大小約lOOOOe，剩磁比約為0. 95。實(shí)施例2 生長(zhǎng)分子式為Y2.28Euq.36Bi0.36Fe4.85Ga0.15012的磁光晶體本實(shí)施例中，Eu3+摻雜濃度為12at%，Bi3+的摻雜濃度為12at%，Ga3+離子的摻雜濃度為 3at%，即 χ = 0. 12,y = 0. 12，ζ = 0.03。分子式為 Y2.28Eu0.36Bi0.36Fe4.85G￡i0.15012，力口入6倍Bi2O3 (重量)和總量3wt%的化03作為助溶劑，按比例稱量并混合均勻，在帶有提拉和旋轉(zhuǎn)裝置的井式熔鹽爐中，升溫至1300°C將原料熔化，過(guò)熱8小時(shí)后將Y3Fe5O12(YIG)籽晶伸入熔體，旋轉(zhuǎn)籽晶(轉(zhuǎn)速10-30轉(zhuǎn)/分鐘)并緩慢降溫，在溫度降到1240°C時(shí)，將晶體提拉出液面后，以每小時(shí)50°C降溫，最后獲得Y2.28Eua36Bia 36Fe4.85Ga0.15012磁光單晶。該晶體有近似矩形的磁滯回線，矯頑磁場(chǎng)的大小約lOOOOe，剩磁比約為0. 95。實(shí)施例3 生長(zhǎng)AjEua45Bia45Fq8GEia2O12磁光單晶薄膜本實(shí)施例中，Eu3+摻雜濃度為15at %，Bi3+的摻雜濃度為15at %，Ga3+離子的摻雜濃度為4at %，即χ = 0. 15，y = 0. 15, ζ = 0. 04。磁光薄膜分子式為 Y2. Pua45Bia45Fei8GEia2O12，加入6倍Bi2O3 (重量)和總量3wt%^ B2O3作為助溶劑，按比例稱量并混合均勻，在液相外延爐中將原料熔化，過(guò)熱8小時(shí)，將GGG基片浸入溶液中，籽晶桿帶動(dòng)基片旋轉(zhuǎn)(轉(zhuǎn)速20-40轉(zhuǎn)/分鐘)，緩慢降溫至1240°C后將GGG基片提起，即可獲得 Y2. !Eu0.45Bi0.45Fe4.8Ga0.2012磁光單晶薄膜。該單晶薄膜有近似矩形的磁滯回線，矯頑磁場(chǎng)的
5大小約lOOOOe，剩磁比約為0. 95。實(shí)施例4 生長(zhǎng) Y1.SEua6Bia6Fe475GEia25O12 磁光多晶薄膜本實(shí)施例中Eu3+摻雜濃度為20at %，Bi3+的摻雜濃度為20at %，Ga3+離子的摻雜濃度為 5at%，即 χ = 0. 2，y = 0. 2，z = 0. 05。磁光薄膜分子式為 YL8Eu0.6Bi0.6Fe4.75Ga0.25012, 按比例稱量并混合均勻，用等靜壓機(jī)將原料壓制成形，在馬弗爐里將毛坯在1500°C燒結(jié)M 小時(shí)后成O30mmX5mm圓塊狀多晶靶材料，使用SiO2或MgO做為襯底基片，在磁控濺射儀上可獲得非晶態(tài)薄膜，然后在1000°C熱處理12小時(shí)后獲得YuEua6Bia6Fq75Giia25O12多晶薄膜。該多晶薄膜有近似矩形的磁滯回線，矯頑磁場(chǎng)的大小約lOOOOe，剩磁比約為0.95。
權(quán)利要求
1.具有矩形磁滯回線和高矯頑磁場(chǎng)的磁光晶體，其特征在于所述磁光晶體的化學(xué)表達(dá)式為(Y3(1_x_y)Eu3xBi3y) (Fe5a_z)fei5z)012，其中 0 < χ < 1,0 < y < 1,0 < ζ < I0
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有矩形磁滯回線和高矯頑磁場(chǎng)的磁光晶體，其特征在于 所述磁光晶體的矯頑磁場(chǎng)大于IOOOOe時(shí)，Eu3+離子的摻雜濃度范圍為10-20at%，即χ的取值范圍為0. 1-0. 2 ；Bi3+離子的摻雜濃度范圍為10-20at%,BP y的取值范圍為0. 1-0. 2 ； Ga3+離子的摻雜濃度范圍為20-40at%，即ζ的取值范圍為0. 2-0. 4，其中at%表示原子百分比。
3.一種具有矩形磁滯回線和高矯頑磁場(chǎng)的磁光晶體制備方法，其特征在于可以采用下列方法之一實(shí)現(xiàn)①光學(xué)浮區(qū)法按分子式(Y3(1_x_y)Eu3xBi3y)(Fe^h)O12稱取各氧化物原料并均勻混合，通過(guò)高溫?zé)Y(jié)、模具成型及等靜壓制成多晶料棒，將多晶料棒裝入光學(xué)浮區(qū)爐中，使用光學(xué)浮區(qū)法制備(Y3(1-x-y) Eu3sBi3y )(Fe5il -z) Ga5z) O12 單曰曰；②頂部籽晶法按分子式(Y3(1_x_y)Eu3xBi3y)(Fe5(1_z)Ga5z)012稱取原料并均勻混合，使用Bi2O3和化03作為助熔劑，在1290°C -1300°C范圍內(nèi)將原料熔化，采用頂部籽晶法制備(Y3 (i-x-y)Eu3xBi3y) (Fe5il -z)Ga5z) O12 單曰曰；③液相外延法按分子式(Y3(1_x_y)Eu3xBi3y)(Fe5(1_z)(}a5z)012稱取原料并均勻混合，使用 Bi2O3和化03作為助熔劑，在1290°C -1300°C范圍內(nèi)將原料熔化，把釓鎵石榴石(GGG)基片伸入熔體，緩慢降溫使熔體達(dá)到過(guò)飽和，可以在GGG襯底上獲得(Y3-x_yEuxBiy) (Fe5^zGaz) O12單晶薄膜；④磁控濺射法首先制備(Y3(1_x_y)Eu3xBi3y)(Fe5(1_z)Ga5z)012圓塊狀多晶靶材，采用磁控濺射法在SiO2或MgO襯底上制備(Y3(1_x_y)Eu3xBi3y) (Fe5(1_z)Ga5z)012非晶薄膜，再通過(guò)熱處理獲得多晶薄膜。
全文摘要
具有矩形磁滯回線和高矯頑磁場(chǎng)的磁光晶體及制備方法，晶體的化學(xué)表達(dá)式為(Y3(1-x-y)Eu3xBi3y)(Fe5(1-z)Ga5z)O12。該晶體具有高的矯頑磁場(chǎng)和近似矩形的磁滯回線，飽和磁化后具有高的剩磁比，在磁光器件，如光隔離器的應(yīng)用中，可實(shí)現(xiàn)自鎖，不需另加磁場(chǎng)，非常有利于器件的微型化和集成化。采用光學(xué)浮區(qū)法或頂部籽晶法可生長(zhǎng)出高質(zhì)量的單晶，用液相外延法和磁控濺射法在襯底基片上可分別生長(zhǎng)出單晶和非晶薄膜。
文檔編號(hào)C30B29/28GK102268733SQ20111021891
公開(kāi)日2011年12月7日 申請(qǐng)日期2011年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月2日
發(fā)明者劉文鵬, 孫敦陸, 張慶禮, 李為民, 殷紹唐, 江海河, 秦清海, 羅建喬, 谷長(zhǎng)江, 韓松 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院