釔鐵石榴石（YIG）應用
發布日期：2023-12-21 瀏覽次數：2831
隨著微波通信技術、光纖通信技術的發展，對系統與各種終端的小型化、低損耗的發展需求越來越高，各種微波器件、磁光器件的平面小型化是關鍵。YIG 在近紅外輻射下呈現全透明狀態，且在可見光下呈現半透明狀態，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 本身是微波性能優異的、已經廣泛應用的重要的微波旋磁材料，所以 YIG 一直是國內外研究的熱點。
1958 年美國貝爾實驗室的狄龍率先發現紅外及近紅外光在YIG 單晶中能實現有效傳輸并研究了在一定光波長范圍的法拉第旋轉和光吸收特性?。在上世紀 70 年代初出現了使用液相外延 (Liquid Phase Epitaxy 簡稱 LPE)的方法制作 YIG單晶薄膜問世的報導，使人們對 YIG 薄膜材料的應用研究領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、磁光傳輸等。在持久不懈的努力下，越來越多的制備方法被發現、被使用，如脈沖激光沉積法、射頻磁控濺射法、化學氣相沉積法等方法。
在 1973 年，Roberson 及其所在研究小組首次發現用 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，并指出當 YIG 鐵氧體材料晶體的 Y3+被 B3+所取代，法拉第效應將會被大大增強。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:用于導航系統中的激光陀螺。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，由具體數據，我們可以得出:當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。中國電子科技大學微電子與固體電子學院制備出了單晶膜線寬小于3Oe的YIG單晶膜，此外，中國電子科技集團九所針對與靜磁自旋波器件、YIG單晶磁調器件的工程應用背景，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換可以通過加入B?O?達到。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(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計及制備復合YIG薄膜。其中福州大學付秋萍、陳建中等人2014年報導了采用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、熱膨脹系數等都與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法拉第偏轉角，Ce:YIG薄膜具有0.37°/um法拉第偏轉角；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域隨著集成電子功能器件的尺寸進入納米量級，功率損耗與器件集成度的矛盾越發凸出，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。自旋電子學的發展依賴于對電子自旋狀態進行有效調控。目前，已有多種方法可以產生純自旋流，如自旋霍爾效應、鐵磁共振自旋泵浦(spin pumping)等，美國霍普金斯大學C.L.Chien研究組指出，生長于絕緣磁體YIG上的Pt薄膜表現出磁的輸運特性，導致其中多重物理效應的糾纏，Pt的磁近鄰效應成為問題的關鍵，Pt對界面處YIG磁性的改變會對自旋注入效率產生很大的影響。
在基礎材料的大量研究工作開展的同時，基于YIG材料的相關應用器件技術研究工作也吸引了大量研究者，2014年Yuya SHOJI,Takuya NEMOTO研究了Ce:YIG薄膜反射系數與溫度的關系以及Ce:YIG薄膜磁光系數，并研究了該材料在波導光隔離器中的應用;2016年Kotoko FURUYA等人研究了一種Ce:YIG磁光薄膜材料，并基于此設計了光學隔離器。2017年Jie Li,Tingting Tang等人基于Ce:YIG薄膜設計了一種新結構，以此來增強橫向Kerr效應。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25dB;而YuKobljanskyj發展了一種RR(Relaxation Reversa1)機理，延時可達1μs。這三種延遲線都具有質量輕、體積小的特點，它們在軍事應用中均取得了突破性進展。
對于應用器件，隨著振蕩器技術的不斷發展，目前MSW振蕩器自身已經具備了微波信號源。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，國內還有電子科大、華中科大、國防科大、浙江大學等從事微波單晶薄膜的LPE生長和應用研究。
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異特性，應用前景非常廣闊。其發展趨勢對于磁光器件應用的YIG薄膜材料來說需要有高的磁光優值、100μm以上較厚的厚度，低缺陷濃度；對于微波應用的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；對于基礎研究領域的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展的目標。