掺杂钇铁石榴石薄膜磁性能和磁光性能研究

发布时间：2020-07-22 08:11

【摘要】：钇铁石榴石(YIG)薄膜独特的磁性能和磁光性能使其在磁振子器件和光隔离器等领域有广泛的应用前景。目前纳米尺度YIG薄膜研究中,垂直各向异性薄膜和高磁光优值薄膜是发展小型化自旋波器件和集成磁光器件的材料基础,但是YIG薄膜是面内易磁化各向异性且磁光效应较弱,不满足器件发展的需求,本论文通过对YIG薄膜的掺杂改性提供解决这些问题的一些方案。我们用脉冲激光沉积(PLD)制备了三种掺杂钇铁石榴石薄膜,研究了它们的结构、磁性能和磁光性能。我们首先在GGG(111)基片上外延生长了Mn掺杂YIG(Mn:YIG),晶格应力的存在以及Mn掺杂YIG薄膜的高磁致伸缩系数使得磁致弹性(磁弹)各向异性能显著增加,有效的调节YIG薄膜的磁各向异性,在高Mn掺杂薄膜中得到垂直各向异性,同时薄膜的铁磁共振线宽只有65 Oe。进一步通过铁磁共振(FMR)分析得到Mn:YIG的各项各向异性常数,薄膜的面外各向异性场由YIG中的-644.4 Oe增加到1337.5 Oe。我们也通过热应力和离子掺杂有效的调节了多晶Ce掺杂YIG(Ce:YIG)薄膜的各向异性。用单步沉积法可以制备高质量的Dy掺杂Ce:YIG薄膜(DyCe:YIG),X射线衍射仪表明DyCe:YIG薄膜均结晶成石榴石晶相。Dy掺杂调节了Ce:YIG薄膜的磁各向异性,Ce:YIG薄膜的面外饱和磁化场由2820 Oe减小到540 Oe,同时具有很高的法拉第旋光值,未来可应用于TE模式集成磁光隔离器中。另一方面,通过在YIG十二面体晶格位引入Ce~(3+)离子掺杂,并调控材料的Fe~(2+)浓度,实现了硅集成强磁光效应,低损耗多晶Ce:YIG磁光薄膜。采用硅基光波导测量Ce:YIG薄膜的光学损耗,优化了Ce:YIG薄膜的磁光优值。我们发现YIG薄膜中的结晶状态与材料的散射损耗相关,Ce:YIG薄膜的制备氧气压会影响材料中Fe~(2+)离子的存在从而显著地影响材料的光学吸收损耗,在50 nm的YIG种子层和10 mTorr O_2条件下制备的Ce:YIG薄膜有着最好的磁光优值39.8 deg/d B,为后续实现集成磁光隔离器奠定了基础。最后我们设计并实现了单向磁场工作的MZI型光隔离器,器件在TM模式下工作在1548 nm波长处,可获得最大隔离度22.5 dB,器件的20 dB隔离带宽约为1 nm,器件的插入损耗约为8 dB,该器件可广泛应用于未来晶圆级光学系统的集成。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O484.4

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本文编号：2765548