釔鐵石榴石（YIG）應(yīng)用
發(fā)布日期：2023-12-21 瀏覽次數(shù)：4714
隨著微波通信技術(shù)、光纖通信技術(shù)的發(fā)展，對系統(tǒng)與各種終端的小型化、低損耗的發(fā)展需求越來越高，各種微波器件、磁光器件的平面小型化是關(guān)鍵。YIG 在近紅外輻射下呈現(xiàn)全透明狀態(tài)，且在可見光下呈現(xiàn)半透明狀態(tài)，因此也成為支撐這些器件小型化薄膜化的最有效的手段之一。同時，YIG 本身是微波性能優(yōu)異的、已經(jīng)廣泛應(yīng)用的重要的微波旋磁材料，所以 YIG 一直是國內(nèi)外研究的熱點。
1958 年美國貝爾實驗室的狄龍率先發(fā)現(xiàn)紅外及近紅外光在YIG 單晶中能實現(xiàn)有效傳輸并研究了在一定光波長范圍的法拉第旋轉(zhuǎn)和光吸收特性?。在上世紀(jì) 70 年代初出現(xiàn)了使用液相外延 (Liquid Phase Epitaxy 簡稱 LPE)的方法制作 YIG單晶薄膜問世的報導(dǎo)，使人們對 YIG 薄膜材料的應(yīng)用研究領(lǐng)域開展了廣泛的探索，如磁光信息存儲磁光傳感器、靜磁自旋波、磁光傳輸?shù)?。在持久不懈的努力下，越來越多的制備方法被發(fā)現(xiàn)、被使用，如脈沖激光沉積法、射頻磁控濺射法、化學(xué)氣相沉積法等方法。
在 1973 年，Roberson 及其所在研究小組首次發(fā)現(xiàn)用 Bi3+取代其它三價稀土離子對光吸收的影響不大,但是可以顯著增加磁光效應(yīng)，并指出當(dāng) YIG 鐵氧體材料晶體的 Y3+被 B3+所取代，法拉第效應(yīng)將會被大大增強。美國 Seprry 和 Rockwell公司用 La:YIG和 Bi:YIG 單晶薄膜制成了磁光偏頻元件:用于導(dǎo)航系統(tǒng)中的激光陀螺。最近美、日、法等國的許多研究小組又以不同的方式成功地獲得了高摻 Bi3+稀土鐵石榴石薄膜，顯示了該材料地廣闊應(yīng)用前景。事實上，薄膜所具有的單軸磁晶各向異性會隨著生長條件的改變而改變，此外，向薄膜中摻入不同的元素也會影響薄膜的單軸磁晶各向異性。而對于薄膜元素替代所造成影響最大的便是居里溫度，由具體數(shù)據(jù)，我們可以得出:當(dāng)YIG 鐵氧體材料晶體中的 Y3+被 Bi3+所取代，居里溫度可以變化38℃。
對于不同膜厚以及鐵磁共振線寬材料的制備研究，位于烏克蘭的“CARAT”采用LPE技術(shù)已制備出了由1.5-100μm的薄膜至100-1500nm的超薄膜，此外，還有100-120μm的大厚度單晶薄膜，線寬均小于2Oe,最小線寬可到0.3 Oe。中國電子科技大學(xué)微電子與固體電子學(xué)院制備出了單晶膜線寬小于3Oe的YIG單晶膜，此外，中國電子科技集團(tuán)九所針對與靜磁自旋波器件、YIG單晶磁調(diào)器件的工程應(yīng)用背景，也在YIG單晶薄膜液相外延生長等方面開展了大量的工作，目前制備的液相外延YIG單晶薄膜膜厚可達(dá)200μm,鐵磁共振線寬低于3Oe。在2012年，烏克蘭的II Syvorotka等人制備出了有兩種膜面得的單晶厚膜，一面是條狀，而另一面是鏡面，這在薄膜制備歷史上突破了單一膜面的限制，并且他們研究出，膜面由條狀面到境面的轉(zhuǎn)換可以通過加入B?O?達(dá)到。Syvorotka等人所采取的制備方法是液相外延工藝，他們通過液相外延工藝得出：當(dāng)(111)晶向的Y2.93La0.07Fe5O12的外延膜生長速率在0.1-0.8 μm/min之間，且厚度達(dá)到130μm時，很有可能得到鏡面膜。
近五年來，國際上對YIG薄膜的研究成果報導(dǎo)非?；钴S。研究主要集中在采用不同制備工藝以及離子摻雜方式設(shè)計及制備復(fù)合YIG薄膜。其中福州大學(xué)付秋萍、陳建中等人2014年報導(dǎo)了采用CLNGG(Ca2.899Li0.304Nb1.926Ga2.757O12)單晶基片以及LisLa?Nb?Oi?摻雜的CLNGG(Ca2.382La0.568Li0.72Nb2.005Ga2.262O12,LCLNGG)單晶基片，研究了Ce:YIG單晶薄膜的生長工藝，研究表明，這兩種單晶基片的晶格常數(shù)、熱膨脹系數(shù)等都與Ce:YIG單晶薄膜最為接近，是生長高性能、大厚度Ce:YIG單晶薄膜的理想基片。2013年Andrew D.Block等人采用射頻濺射方式在介質(zhì)基片上生長YIG薄膜，膜厚7-45nm,Bi:YIG薄膜具有0.17%um法拉第偏轉(zhuǎn)角，Ce:YIG薄膜具有0.37°/um法拉第偏轉(zhuǎn)角；2014年A.Sposito等人采用組合PLD工藝，在YAG襯底上制備了Bi:YIG、Ce:YIG薄膜，并研究了工藝對于鐵磁共振線寬的影響。
另外在低功耗高集成領(lǐng)域隨著集成電子功能器件的尺寸進(jìn)入納米量級，功率損耗與器件集成度的矛盾越發(fā)凸出，而電子的自旋維度開啟了全新的信息承載模式，其低功耗、高速和量子化特性將迎來后微電子時代電子信息器件的全新變革。自旋電子學(xué)的發(fā)展依賴于對電子自旋狀態(tài)進(jìn)行有效調(diào)控。目前，已有多種方法可以產(chǎn)生純自旋流，如自旋霍爾效應(yīng)、鐵磁共振自旋泵浦(spin pumping)等，美國霍普金斯大學(xué)C.L.Chien研究組指出，生長于絕緣磁體YIG上的Pt薄膜表現(xiàn)出磁的輸運特性，導(dǎo)致其中多重物理效應(yīng)的糾纏，Pt的磁近鄰效應(yīng)成為問題的關(guān)鍵，Pt對界面處YIG磁性的改變會對自旋注入效率產(chǎn)生很大的影響。
在基礎(chǔ)材料的大量研究工作開展的同時，基于YIG材料的相關(guān)應(yīng)用器件技術(shù)研究工作也吸引了大量研究者，2014年Yuya SHOJI,Takuya NEMOTO研究了Ce:YIG薄膜反射系數(shù)與溫度的關(guān)系以及Ce:YIG薄膜磁光系數(shù)，并研究了該材料在波導(dǎo)光隔離器中的應(yīng)用;2016年Kotoko FURUYA等人研究了一種Ce:YIG磁光薄膜材料，并基于此設(shè)計了光學(xué)隔離器。2017年Jie Li,Tingting Tang等人基于Ce:YIG薄膜設(shè)計了一種新結(jié)構(gòu)，以此來增強橫向Kerr效應(yīng)。2016年Gang Wang等人通過外延生長制備了YIG薄膜，并研究了基于此設(shè)計的片上螺旋電感。
國外常見的YIG薄膜器件有濾波器、延遲線、振蕩器等，延遲線方面：俄羅斯TEKONA研究所研制的色散延遲線系列可工作在-60～+85 ℃之間，并且延時8～200 ns,分段工作頻率1～18GHz,插損最小僅2dB;美國Westing-house公司研制的線性色散延遲線可工作在-50～+80℃之間，并且延時60～200ns,分段工作頻率8～12 GHz,插損最小達(dá)25dB;而YuKobljanskyj發(fā)展了一種RR(Relaxation Reversa1)機理，延時可達(dá)1μs。這三種延遲線都具有質(zhì)量輕、體積小的特點，它們在軍事應(yīng)用中均取得了突破性進(jìn)展。
對于應(yīng)用器件，隨著振蕩器技術(shù)的不斷發(fā)展，目前MSW振蕩器自身已經(jīng)具備了微波信號源。將單片微波電路和MSW中的有源金屬片延遲線組合形成具備微波信號的振蕩器，2.76~2.95GHz的中心頻率以及3dB的帶寬，使其相位噪音大大降低，微波信號的穩(wěn)定性大大提升。目前在烏克蘭以及俄羅斯等國家，采用振蕩器制作而成的微波信號源其相位噪聲被大大降低，通?？山档椭?/span>-111dB,因其相位噪聲較低，該振蕩器在軍事上得到了廣泛的推廣與使用。目前，國內(nèi)還有電子科大、華中科大、國防科大、浙江大學(xué)等從事微波單晶薄膜的LPE生長和應(yīng)用研究。
綜上所述，無論多晶還是單晶YIG薄膜在微波與磁光方面的優(yōu)異特性，應(yīng)用前景非常廣闊。其發(fā)展趨勢對于磁光器件應(yīng)用的YIG薄膜材料來說需要有高的磁光優(yōu)值、100μm以上較厚的厚度，低缺陷濃度；對于微波應(yīng)用的YIG薄膜則需要有低的鐵磁共振線寬、適中的飽和磁化強度、較厚的厚度；對于基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的YIG薄膜而言，納米級厚度的薄膜與高的薄膜均勻性、低的缺陷密度等是未來發(fā)展的目標(biāo)。