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面外取向的(BiTm)3(GaFe)5O12磁光单晶薄膜制备及取向机理分析

杨雪 杨青慧 张怀武 文岐业 白飞明 钟智勇 张鼎 黄建涛

杨雪, 杨青慧, 张怀武, 文岐业, 白飞明, 钟智勇, 张鼎, 黄建涛. 面外取向的(BiTm)3(GaFe)5O12磁光单晶薄膜制备及取向机理分析[J]. 机械工程学报, 2021, 70(10): 107801. doi: 10.7498/aps.70.20202209
引用本文: 杨雪, 杨青慧, 张怀武, 文岐业, 白飞明, 钟智勇, 张鼎, 黄建涛. 面外取向的(BiTm)3(GaFe)5O12磁光单晶薄膜制备及取向机理分析[J]. 机械工程学报, 2021, 70(10): 107801. doi: 10.7498/aps.70.20202209
Yang Xue, Yang Qing-Hui, Zhang Huai-Wu, Wen Qi-Ye, Bai Fei-Ming, Zhong Zhi-Yong, Zhang Ding, Huang Jian-Tao. Preparation and orientation mechanism analysis of (BiTm)3(GaFe)5O12 magneto-optical single crystal film with out-of-plane orientation[J]. JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING, 2021, 70(10): 107801. doi: 10.7498/aps.70.20202209
Citation: Yang Xue, Yang Qing-Hui, Zhang Huai-Wu, Wen Qi-Ye, Bai Fei-Ming, Zhong Zhi-Yong, Zhang Ding, Huang Jian-Tao. Preparation and orientation mechanism analysis of (BiTm)3(GaFe)5O12 magneto-optical single crystal film with out-of-plane orientation[J]. JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING, 2021, 70(10): 107801. doi: 10.7498/aps.70.20202209

面外取向的(BiTm)3(GaFe)5O12磁光单晶薄膜制备及取向机理分析

doi: 10.7498/aps.70.20202209
详细信息
    通讯作者:

    E-mail: yangqinghui@uestc.edu.cn

  • 中图分类号: 78.20.Ls, 85.70.Sq, 75.30.Gw

Preparation and orientation mechanism analysis of (BiTm)3(GaFe)5O12 magneto-optical single crystal film with out-of-plane orientation

More Information
  • 摘要: 铋取代石榴石(Bi:YIG)薄膜具有较大的比法拉第旋角, 且可通过调控其易磁化轴垂直于薄膜表面和降低材料饱和磁化强度, 使其可工作在较小外加磁场下, 进而满足磁光器件小型化、节能化的发展需求. 本文基于对石榴石薄膜磁各向异性的理论分析, 采用液相外延(liquid-phase epitaxy, LPE)法在钆镓石榴石(gadolinium gallium garnet, GGG)基底上制备了单晶(BiTm)3(GaFe)5O12膜, 并研究了其磁各向异性性能. 研究发现, 当外延膜厚度大于1 μm时, 形状各向异性对磁各向异性产生的影响可以忽略; 随着生长温度的上升, 进入薄膜组分的Bi3+离子数量逐渐减少, 薄膜晶格常数逐渐减小, 薄膜的受力状态从压应力状态逐渐变为张应力; 相较于生长感生各向异性, 应力诱导的各向异性在磁各向异性的变化中占主导地位. (BiTm)3(GaFe)5O12膜的Verdet常数为11.8 × 104 rad/Tm@1064 nm, 是常用磁光材料TGG的3000倍; 其外加工作磁场小于200 Oe, 有利于实现磁光器件的小型化和薄膜化.

     

  • 图  (a)不同生长温度下(BiTm)3(GaFe)5O12膜的XRD测试图; (b) (BiTm)3(GaFe)5O12膜的形貌相; (c) (BiTm)3(GaFe)5O12膜的HR-TEM图; (d) (BiTm)3(GaFe)5O12膜的电子衍射花样

    Figure  1.  (a) XRD patterns of (BiTm)3(GaFe)5O12 films grown at different temperatures; (b) morphology and phase of (BiTm)3(GaFe)5O12 films; (c) HR-TEM of (BiTm)3(GaFe)5O12 film; (d) electron diffraction patterns of (BiTm)3(GaFe)5O12 films.

    图  不同生长温度的(BiTm)3(GaFe)5O12膜磁滞回线 (a) T = 882 ℃; (b) T = 888 ℃; (c) T = 893 ℃; (d) T = 901 ℃; (T表示生长温度)

    Figure  2.  Hysteresis loops of (BiTm)3(GaFe)5O12 films at different growth temperatures: (a)T = 882 ℃; (b) T = 888 ℃; (c) T = 893 ℃; (d) T = 901 ℃; (T is the growth temperature).

    图  不同厚度的(BiTm)3(GaFe)5O12膜在不同生长温度下的 $ {H}_{\rm{total}}$

    Figure  3.  $ {H}_{\rm{total}} $ of (BiTm)3(GaFe)5O12 films with different thickness at different growth temperatures.

    图  不同生长温度下的(BixTm3–x)(GayFe5–y)O12膜中的x

    Figure  4.  x in (BixTm3–x)(GayFe5–y)O12 films at different growth temperatures

    图  (a)不同生长温度下的(BiTm)3(GaFe)5O12膜的法拉第旋角测试回线; (b)同一入射波长下的(BiTm)3(GaFe)5O12膜和TGG的法拉第旋角测试回线

    Figure  5.  (a) Faraday angle test loop of (BiTm)3(GaFe)5O12 films at different growth temperatures; (b) Faraday angle test loop of (BiTm)3(GaFe)5O12 film and TGG at the same incident wavelength.

    表  1  (BiTm)3(GaFe)5O12生长参数

    Table  1.   Growth parameters of (BiTm)3(GaFe)5O12

    生长温
    度/℃
    单面膜
    h/μm
    单面膜
    h/μm
    单面膜
    h/μm
    882 1.65 4.70 7.37
    888 5.28 7.24
    893 1.22 5.20 7.15
    898 1.19 5.05 7.40
    901 1.23 4.92 7.13
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    表  2  (BiTm)3(GaFe)5O12膜的晶格常数( $ {a}_{\mathrm{film}} $ )和晶格失配( $ \Delta a $ )

    Table  2.   Lattice constant film ( $ {a}_{\mathrm{film}} $ ) and lattice mismatch ( $ \Delta a $ ) of (BiTm)3(GaFe)5O12.

    生长温度/℃ $ {a}_{\mathrm{substrate}} $/Å $ {a}_{\mathrm{film}} $/Å $ \Delta a $/Å
    882 12.383 12.392 –0.009
    893 12.383 12.371 0.012
    898 12.383 12.363 0.020
    901 12.383 12.361 0.022
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-12-25
  • 修回日期:  2021-03-08
  • 网络出版日期:  2021-05-27
  • 发布日期:  2021-05-27

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