复合掺杂钇铁石榴石磁光薄膜的微观组织与性能研究
发布时间：2020-08-19 19:50
【摘要】：本文研究了Ce、Bi、Ga多种元素复合掺杂的钇铁石榴石磁光薄膜材料,采用一步脉冲激光沉积+快速退火的方法在硅基体上制备了A位掺杂的Ce_(1.0)Y_2Fe_5O_(12)、Ce_(1.0)Y_2Fe_4Ga_1O_(12)薄膜以及A位和B位复合掺杂的Bi_(0.5)Ce_(0.5)Y_2Fe_5O_(12)、Bi_(0.5)Ce_(0.5)Y_2Fe_4Ga_1O_(12)薄膜。采用XRD、XPS、AFM、SEM和TEM等手段对不同工艺条件下薄膜的物相成分、表面形貌以及界面结构进行了表征,并对薄膜的室温磁性能、光透过性能以及法拉第旋光性能进行了研究。探讨了掺杂元素、沉积次序和沉积温对薄膜的组织和性能的影响。研究结果表明,通过一步脉冲激光沉积方法改变种子层YIG和掺杂目标层的沉积次序,获得了目标层直接与Si接触的YIG/Ce_(1.0)Y_2Fe_5O_(12)/Si和YIG/Bi_(0.5)Ce_(0.5)Y_2Fe_5O_(12)/Si双层薄膜。快速退火后为石榴石相结构多晶薄膜,表面质量良好,粗糙度在1nm左右,磁性能和法拉第旋光性能都可以与YIG在下层的薄膜相比拟。另外,高温沉积的薄膜质量和性能都比室温沉积的有所提高,高温沉积的YIG/Ce_(1.0)Y_2Fe_5O_(12)/Si薄膜的法拉第旋转角达到2250deg/cm。在A位掺杂基础上,通过Ga3+的B位掺杂,取代Fe3+,高温沉积了Ce_(1.0)Y_2Fe_4Ga_1O_(12)/YIG/Si和Bi_(0.5)Ce_(0.5)Y_2Fe_4Ga_1O_(12)/YIG/Si两种薄膜,其表面质量良好,相比与未掺杂Ga的磁性能明显下降,但是光透过率和法拉第旋光都有所提升。还在SiNx基体上制备了复合掺杂型薄膜,实现了掺杂型YIG磁光薄膜在不同基体上的集成。经过在Si和SiNx基体上对薄膜沉积和退火工艺的探索后,在硅基波导器件和氮化硅基波导器件上直接沉积复合掺杂型Ce_(1.0)Y_2Fe_4Ga_1O_(12)和Bi_(0.5)Ce_(0.5)Y_2Fe_4Ga_1O_(12)两种薄膜,退火后器件表面平整无明显缺陷,对磁光效应进行测试后得到插入损耗在17d B以下,隔离率达到20dB。实现了YIG材料在光隔离器上的应用。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB383.2
【图文】：
利用光纤作为传输媒介的光学通信技术成为重要的信息传输纤具有传输速度快，制造成本低，可靠性高等优点。光纤在近红外 1550nm）的损耗非常小，理论可以达到 0.2dB/km[1]，是非常有效的。在光学通信中，半导体激光器作为有源器件，可以提供可靠性光激光源免受反射光的干扰，必须要有光隔离器来保证传输系统的稳器是一种重要的非互易性光学器件，其类似于电子二极管的整流效沿指定方向无阻挡地通过，完全排除光纤功能器件接点处的反射光消除了反向传输的干扰光对激光源的影响，提高系统的工作稳定性[2利用的是磁光法拉第效应，指当介质被置于磁场当中，一束线偏振方向或磁化强度方向通过介质是偏振面发生偏转的现象[4]，其原理示1 所示。偏转的角度（θ）与施加磁场光线传播方向的磁通量密度（B度（传播距离 d）成正比：θ=VBd V——菲尔德常数。
图 1-2 光隔离器示意图a)块状型；b)集成型随着光通信产业的发展，分立的光学器件已经不能满足需求，人们采取成电路的方法，将多种光学元件（如：激光器、光隔离器、光调制器、光环形器和耦合器等）集成到同一衬底上，提高其传递信息和处理信息称为集成光学[5]。与之对应，也就出现了集成型光隔离器（波导型光隔离器导体器件上直接制备磁光薄膜材料，通过模式转换实现光隔离作用，其图如图 1.2 b) 所示。集成型光隔离器的最核心部分是高性能的磁光薄膜材薄膜的评价参数是品质因子[6]：FoM = Θ/α Θ——单位长度的法拉第旋光系数；)α——材料的光吸收系数。FoM越大，磁光薄膜的品质越好。因此，制备集成型光隔离器的关键包括一是制备具有高品质因子的磁光薄膜材料；二是将磁光薄膜有效地集成
磁光材料是在可见和红外波段具有磁光效应的光信息功能材料。从物理度，磁光材料可以分为磁光薄膜，磁光玻璃，磁光光子晶体，磁光液体晶[7]。本文讨论的主要是用于集成型光隔离器的薄膜材料。目前研究最多氧化物薄膜，主要包括 Co 元素掺杂的 CeO2 δ材料，尖晶石型材料 CoFeO3和 MgFe2O4等，钙钛矿氧化物材料 SrTiO3等，稀土正铁氧体材料 B钇铁石榴石材料 YIG。1 Co 掺杂的 CeO2 δ材料CeO2属于立方晶系，晶格常数为 5.411 ，是与硅的晶格常数最接近的磁CeO2与硅（100）取向的失配度仅为 0.35%，可以直接在硅上外延生长。[8]研究了 Co 掺杂的 CeO2 δ的磁光性能，在 MgO 和 SrTiO3基体上沉积厚 260nm～950nm 的 CeO2 δ薄膜，Co 原子的取代率最高可以达到 25%，厚薄膜缺陷越少。随着 Co 含量的增加，薄膜的饱和磁化强度和矫顽力都性能如图 1-3 a) 所示。在 1550nm 光波段，不同 Co 掺杂量的薄膜的室温转角在 200 deg/cm 到 6900 deg/cm 之间，如图 1-3 b) 所示。
本文编号：2797510
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB383.2
【图文】：
利用光纤作为传输媒介的光学通信技术成为重要的信息传输纤具有传输速度快，制造成本低，可靠性高等优点。光纤在近红外 1550nm）的损耗非常小，理论可以达到 0.2dB/km[1]，是非常有效的。在光学通信中，半导体激光器作为有源器件，可以提供可靠性光激光源免受反射光的干扰，必须要有光隔离器来保证传输系统的稳器是一种重要的非互易性光学器件，其类似于电子二极管的整流效沿指定方向无阻挡地通过，完全排除光纤功能器件接点处的反射光消除了反向传输的干扰光对激光源的影响，提高系统的工作稳定性[2利用的是磁光法拉第效应，指当介质被置于磁场当中，一束线偏振方向或磁化强度方向通过介质是偏振面发生偏转的现象[4]，其原理示1 所示。偏转的角度（θ）与施加磁场光线传播方向的磁通量密度（B度（传播距离 d）成正比：θ=VBd V——菲尔德常数。
图 1-2 光隔离器示意图a)块状型；b)集成型随着光通信产业的发展，分立的光学器件已经不能满足需求，人们采取成电路的方法，将多种光学元件（如：激光器、光隔离器、光调制器、光环形器和耦合器等）集成到同一衬底上，提高其传递信息和处理信息称为集成光学[5]。与之对应，也就出现了集成型光隔离器（波导型光隔离器导体器件上直接制备磁光薄膜材料，通过模式转换实现光隔离作用，其图如图 1.2 b) 所示。集成型光隔离器的最核心部分是高性能的磁光薄膜材薄膜的评价参数是品质因子[6]：FoM = Θ/α Θ——单位长度的法拉第旋光系数；)α——材料的光吸收系数。FoM越大，磁光薄膜的品质越好。因此，制备集成型光隔离器的关键包括一是制备具有高品质因子的磁光薄膜材料；二是将磁光薄膜有效地集成
磁光材料是在可见和红外波段具有磁光效应的光信息功能材料。从物理度，磁光材料可以分为磁光薄膜，磁光玻璃，磁光光子晶体，磁光液体晶[7]。本文讨论的主要是用于集成型光隔离器的薄膜材料。目前研究最多氧化物薄膜，主要包括 Co 元素掺杂的 CeO2 δ材料，尖晶石型材料 CoFeO3和 MgFe2O4等，钙钛矿氧化物材料 SrTiO3等，稀土正铁氧体材料 B钇铁石榴石材料 YIG。1 Co 掺杂的 CeO2 δ材料CeO2属于立方晶系，晶格常数为 5.411 ，是与硅的晶格常数最接近的磁CeO2与硅（100）取向的失配度仅为 0.35%，可以直接在硅上外延生长。[8]研究了 Co 掺杂的 CeO2 δ的磁光性能，在 MgO 和 SrTiO3基体上沉积厚 260nm～950nm 的 CeO2 δ薄膜，Co 原子的取代率最高可以达到 25%，厚薄膜缺陷越少。随着 Co 含量的增加，薄膜的饱和磁化强度和矫顽力都性能如图 1-3 a) 所示。在 1550nm 光波段，不同 Co 掺杂量的薄膜的室温转角在 200 deg/cm 到 6900 deg/cm 之间，如图 1-3 b) 所示。
【参考文献】
相关期刊论文 前4条
1 章春香;殷海荣;刘立营;;磁光材料的典型效应及其应用[J];磁性材料及器件;2008年03期
2 张国营;程勇;张学龙;夏天;薛刘萍;;掺Pb,Ga对Ce:YIG晶体磁光性能的影响[J];物理学报;2006年05期
3 张溪文,董博,洪炜,娄骁,张守业,韩高荣;光隔离器及其相关的磁光材料[J];材料科学与工程;2002年03期
4 王巍,兰中文,姬洪,王豪才;YIG石榴石磁光薄膜材料的最新进展[J];电子元件与材料;2002年06期
本文编号：2797510
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