石榴石结构磁光效应第一性原理仿真
发布时间：2020-12-16 11:24
磁光效应在光信息存储、光通信、激光等领域发挥着重要的作用,自上个世纪以来由于其应用领域的不断扩大成为研究者探索的热点,磁光效应理论发展也同步进行,目前磁光效应宏观理论已建立并得到研究者的公认,磁光效应宏观上表现为偏振光入射后在材料中传播时分解为左旋光与右旋光,由于两者在材料中传播速度不同导致出射时合成偏振光与入射时产生一个偏角,但微观机理仍存有争议,目前理论证明,微观上法拉第角是由于材料介电常数张量非对角元决定的,但材料介电张量非对角元又与材料的跃迁能级与跃迁形式有关,因此通过第一性原理可以得到材料的能带结构,进而获取材料的微观性质,对石榴石材料磁光效应增大的微观机理进行解释。本文以LuxBi3-xFe5O12,（x=0,1,2,3）材料为例,对该材料进行第一性原理计算以及射频磁控溅射实验制备,通过理论、仿真、实验的角度对薄膜的磁光效应进行分析。首先利用Material Stadio软件构建了LuxBi3-xFe5O12
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：59 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
磁光效应宏观效应示意图
电子科技大学硕士学位论文2同构成了磁光效应的经典理论，克尔效应为偏振光在磁光材料表面被反射时，其反射束的偏振面发生一个与磁光方向有关的旋转；法拉第效应宏观表现为偏振光通过磁性物质时偏振光偏振面发生旋转的现象，如图1-1所示偏振光通过材料时分解为左旋光与右旋光在材料中传输，由于材料对左旋光与右旋光的折射率不同，导致左旋光与右旋光传输速度不同，进而导致左旋光与右旋光出射时合成后偏正面发生了偏转的现象。而法拉第效应的量子力学解释则认为磁光效应是由于晶体内部的部分离子在光的作用下发生光跃迁的现象，即光和磁光材料在外磁场下产生相互作用，这个作用与光子跃迁息息相关，但就具体解释目前还未有统一的结论。图1-2磁光理论框架磁光效应宏观经典理论已经建立并有了公认的结论，微观部分目前仍有争议，有一种说法指出磁光效应的产生是由于磁偶极子与电偶机子跃迁导致的，FredericJ.Kahn[1]等人研究指出，在200nm-800nm，电偶极子跃迁占据主导地位，而在铋掺杂石榴石结构中，由晶体场效应导致的铁离子3d轨道、氧离子的2p轨道以及铋离子的6p轨道产生了能级分裂，从而导致跃迁能级的基态与激发态差生分裂。因而在考虑磁光效应在220nm-780nm波段的微观机理时可以主要考虑电偶机子跃迁的情况，电偶极子跃迁的方式又分为顺磁性跃迁与抗磁性跃迁，如图1-3所示，顺磁性跃迁与抗磁性跃迁最大的区别就是简并轨道位置，当顺磁性跃迁情况下是由简并的基态轨道跃迁到激发态轨道、抗磁性跃迁
第一章绪论3图1-3顺磁性跃迁与抗磁性跃迁示意图则是由基态轨道跃迁到简并的激发态轨道。对于跃迁类型研究者们也存有争议，Dionne[2]等人认为抗磁性跃迁是解释铋掺杂的有效途径，因为在超交换场下只会有自旋单重基态，之后dionne[3]又提出铋掺杂磁光材料法拉第效应是由于铁离子先与简并激发态轨道作用后又与铋离子进一步作用，而在波长大于780nm时黄敏等人在顺磁性跃迁模型的基础上计算了磁偶极子跃迁，认为在波长大于780nm时磁偶极子跃迁占据了主导地位。由于电偶机子与磁偶极子在跃迁时有着不同的作用机理，因此可以线性表示，但实验发现，Bi:YIG在220nm-780nm波段比法拉第旋角并不是随着Bi3+离子掺杂量增加而成线性增大的趋势，而是在510nm波长处达到极值[4-5]，可见在铋掺杂后作用的微观机理有待探究。1.3石榴石晶体结构石榴石结构是指R3Fe5O12（简称RIG），R通常为稀土元素（Y、Lu、Tm、Ga、Te等），其中由4个O离子构成了四面体位（24d位）；6个O离子构成了八面体位（16a）以及8个O离子构成的十二面体位（24c），最初钇铁石榴石由于具有较低铁磁共振线宽、地方饱和磁化强度而受到研究者的关注，尤其是在稀土掺杂石榴石RIG后在不影响材料铁磁共振线宽等性能的情况下提高了材料的光学性能，因此稀土掺杂石榴石薄膜成为研究者关注的热点。石榴石结构中一个晶胞包含160个原子，空间群属于Ia3d，其中石榴石结构中磁性主要由铁离子提供，分子式R3Fe5O12中三个铁离子占据四面体位又称作Fetet，两个铁离子占据八面体位，又称做Feoct，两个位置的铁离子自旋状态相反，使R3Fe5O12呈现亚铁磁性，而稀土离子通常为非磁性离子。因此石榴石结构的磁性通常可由式1-1计算：M=|Md-Ma-Mc|=|3MFetet-2MFeoct-MR3+|=|MFe-
【参考文献】：
期刊论文
[1]法拉第磁光效应的原理[J]. 徐士涛,张丽琴,张金峰. 佳木斯职业学院学报. 2020(03)
[2]磁光效应简介及其应用[J]. 陈俊如. 科技风. 2018(04)
[3]磁光材料的典型效应及其应用[J]. 章春香,殷海荣,刘立营. 磁性材料及器件. 2008(03)
[4]YIG石榴石磁光薄膜材料的最新进展[J]. 王巍,兰中文,姬洪,王豪才. 电子元件与材料. 2002(06)
[5]Bi3+、Ce3+离子极大增强铁石榴石磁光法拉第效应微观机制研究[J]. 黄敏,赵渭忠,张守业. 材料科学与工程. 2001(01)
本文编号：2920053
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：59 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
磁光效应宏观效应示意图
电子科技大学硕士学位论文2同构成了磁光效应的经典理论，克尔效应为偏振光在磁光材料表面被反射时，其反射束的偏振面发生一个与磁光方向有关的旋转；法拉第效应宏观表现为偏振光通过磁性物质时偏振光偏振面发生旋转的现象，如图1-1所示偏振光通过材料时分解为左旋光与右旋光在材料中传输，由于材料对左旋光与右旋光的折射率不同，导致左旋光与右旋光传输速度不同，进而导致左旋光与右旋光出射时合成后偏正面发生了偏转的现象。而法拉第效应的量子力学解释则认为磁光效应是由于晶体内部的部分离子在光的作用下发生光跃迁的现象，即光和磁光材料在外磁场下产生相互作用，这个作用与光子跃迁息息相关，但就具体解释目前还未有统一的结论。图1-2磁光理论框架磁光效应宏观经典理论已经建立并有了公认的结论，微观部分目前仍有争议，有一种说法指出磁光效应的产生是由于磁偶极子与电偶机子跃迁导致的，FredericJ.Kahn[1]等人研究指出，在200nm-800nm，电偶极子跃迁占据主导地位，而在铋掺杂石榴石结构中，由晶体场效应导致的铁离子3d轨道、氧离子的2p轨道以及铋离子的6p轨道产生了能级分裂，从而导致跃迁能级的基态与激发态差生分裂。因而在考虑磁光效应在220nm-780nm波段的微观机理时可以主要考虑电偶机子跃迁的情况，电偶极子跃迁的方式又分为顺磁性跃迁与抗磁性跃迁，如图1-3所示，顺磁性跃迁与抗磁性跃迁最大的区别就是简并轨道位置，当顺磁性跃迁情况下是由简并的基态轨道跃迁到激发态轨道、抗磁性跃迁
第一章绪论3图1-3顺磁性跃迁与抗磁性跃迁示意图则是由基态轨道跃迁到简并的激发态轨道。对于跃迁类型研究者们也存有争议，Dionne[2]等人认为抗磁性跃迁是解释铋掺杂的有效途径，因为在超交换场下只会有自旋单重基态，之后dionne[3]又提出铋掺杂磁光材料法拉第效应是由于铁离子先与简并激发态轨道作用后又与铋离子进一步作用，而在波长大于780nm时黄敏等人在顺磁性跃迁模型的基础上计算了磁偶极子跃迁，认为在波长大于780nm时磁偶极子跃迁占据了主导地位。由于电偶机子与磁偶极子在跃迁时有着不同的作用机理，因此可以线性表示，但实验发现，Bi:YIG在220nm-780nm波段比法拉第旋角并不是随着Bi3+离子掺杂量增加而成线性增大的趋势，而是在510nm波长处达到极值[4-5]，可见在铋掺杂后作用的微观机理有待探究。1.3石榴石晶体结构石榴石结构是指R3Fe5O12（简称RIG），R通常为稀土元素（Y、Lu、Tm、Ga、Te等），其中由4个O离子构成了四面体位（24d位）；6个O离子构成了八面体位（16a）以及8个O离子构成的十二面体位（24c），最初钇铁石榴石由于具有较低铁磁共振线宽、地方饱和磁化强度而受到研究者的关注，尤其是在稀土掺杂石榴石RIG后在不影响材料铁磁共振线宽等性能的情况下提高了材料的光学性能，因此稀土掺杂石榴石薄膜成为研究者关注的热点。石榴石结构中一个晶胞包含160个原子，空间群属于Ia3d，其中石榴石结构中磁性主要由铁离子提供，分子式R3Fe5O12中三个铁离子占据四面体位又称作Fetet，两个铁离子占据八面体位，又称做Feoct，两个位置的铁离子自旋状态相反，使R3Fe5O12呈现亚铁磁性，而稀土离子通常为非磁性离子。因此石榴石结构的磁性通常可由式1-1计算：M=|Md-Ma-Mc|=|3MFetet-2MFeoct-MR3+|=|MFe-
【参考文献】：
期刊论文
[1]法拉第磁光效应的原理[J]. 徐士涛,张丽琴,张金峰. 佳木斯职业学院学报. 2020(03)
[2]磁光效应简介及其应用[J]. 陈俊如. 科技风. 2018(04)
[3]磁光材料的典型效应及其应用[J]. 章春香,殷海荣,刘立营. 磁性材料及器件. 2008(03)
[4]YIG石榴石磁光薄膜材料的最新进展[J]. 王巍,兰中文,姬洪,王豪才. 电子元件与材料. 2002(06)
[5]Bi3+、Ce3+离子极大增强铁石榴石磁光法拉第效应微观机制研究[J]. 黄敏,赵渭忠,张守业. 材料科学与工程. 2001(01)
本文编号：2920053
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/benkebiyelunwen/2920053.html
