新型磁光单晶材料生长方法.pdf

本发明涉及一种新型磁光材料的生长技术和光纤通信领域，特别涉及一种液相外延法生长掺Bi稀土石榴石薄膜(ReBi)3Fe5O12的生长技术，包括如下步骤：（A）将纯度为将纯度99.99%以上的PbO、B2O3、Bi2O3、Fe2O3、Re2O3粉料按确定的比例混合均匀后装入铂坩埚中，再放入液相外延炉中；（B）对铂坩埚中的原材料进行加热并旋转，使之充分融化并且成分均匀。本发明的有益效果是：液相外延法生长掺Bi磁光薄膜，不但大大缩短的生长周期，并且厚度能达到几百微米，既能达到旋光率的要求，又便于加工，减小磁光器件的体积和重量，实现器件集成化。

权利要求书
1.  一种新型磁光单晶材料生长方法，其特征在于：包括如下步骤：（A）将纯度为99.99%以上的PbO、B2O3、Bi2O3、Fe2O3、Re2O3粉料按确定的比例混合均匀后装入铂坩埚中，再放入液相外延炉中;（B）对液相外延炉先升温再保温，在保温同时使坩埚旋转，使之充分融化并且成分均匀;（C）将GGG基片用超声波在去离子水中清洗干净，固定在清洗干净的铂金夹具上，将夹具放入外延炉预热区预热后，再放入溶液中进行液相外延;(D)外延结束后将基片提升至液面以上并高速旋转甩掉一部分助溶剂，然后取出放入硝酸溶液中进一步去除助溶剂，磨抛加工到所需要的厚度。

2.   根据权利要求1所述新型磁光单晶材料生长方法，其特征在于：磁光单晶材料中稀土离子Re，为Gd、Er、Dy、Tm、Yb、Tb和Ho中的一种或几种稀土离子的组合。

3.  根据权利要求1所述新型磁光单晶材料生长方法，其特征在于：所述步骤（A）中,将铂金坩埚放入盐酸、水比例为1:2的溶液中进行酸处理，去除表面杂质和助溶剂；如果还有残留的助溶剂，则将铂金坩埚放入加热炉中加热到900℃，再用焦硫酸钾对助溶剂进行处理。

4.  根据权利要求1所述新型磁光单晶材料生长方法，其特征在于：所述步骤（A）中，生长所需助溶剂组成为PbO、B2O3和Bi2O3；B2O3的含量不能过大，（PbO+Bi2O3）/ B2O3的摩尔比值为8~15，PbO/ Bi2O3的摩尔比值为5~2，Bi2O3/Re2O3的比不小于20。

5.  根据权利要求1所述新型磁光单晶材料生长方法，其特征在于：所述步骤（B）中，溶液浓度随生长磁光单晶薄膜厚度的变化而变化，溶液的摩尔浓度为0.09~0.18。

6.  根据权利要求1所述新型磁光单晶材料生长方法，其特征在于：所述步骤（B）中，按150/h的升温速率升到1200℃，并保温10小时以上，在保温同时旋转电机带动坩埚按正反方向旋转，旋转周期T为40~100秒，转速ω为20~40rpm，使溶料混合均匀，然后再降到外延温度准备外延。

7.  根据权利要求1所述新型磁光单晶材料生长方法，其特征在于：所述步骤（B）中，单晶膜外延过程中采取0.2~2.0℃/h的缓慢降温法，以维持溶液有一合适单晶厚膜的过冷度，同时外延时要使溶液浓度均匀，要通过上炉头的旋转电机使基片在溶液中采用间歇、周期性正反向旋转，旋转周期T为20~60秒，旋转速度ω为30~300rpm，粘稠度大的溶液旋转ω应大一些。

8.  根据权利要求1所述新型磁光单晶材料生长方法，其特征在于：所述步骤（C）中，外延过程中根据所需薄膜厚度控制外延时间、降温速率和基片旋转速度。

9.  根据权利要求1所述新型磁光单晶材料生长方法，其特征在于：所述步骤（C）中，去离子水的电阻率：>18MΩ；超声波清洗机的设定为：时间5-17min，功率85~120W，频率20～60KHZ；红外灯的功率为200~300W，烘烤10～25min。

10.  根据权利要求1所述新型磁光单晶材料生长方法，其特征在于：所述步骤（D）中，基片高速旋转时间为30秒，基片放入硝酸溶液中进行处理，溶液中硝酸与水的比例为1:2。

说明书新型磁光单晶材料生长方法
技术领域
 本发明涉及磁光单晶材料的制备和光纤通信领域，特别涉及液相外延生长掺Bi稀土石榴石(ReBi)3Fe5O12的生长技术。
背景技术
磁光隔离器是一种非互易传输光无源器件，即沿正向传输方向具有较低插入损耗，而对反向传输光有很大衰减作用的无源器件。随着现代光纤通讯技术向高速、大容量方向发展，光路中的反射光已经成为一个必须解决的重要问题，额外的光反射使光通信系统变得不稳定，增加误码率，限制了长距离的光信号传输。
目前为止用于隔离器的磁光材料主要生长方法有浮动区熔法、熔盐法、提拉法等，这些方法生长周期长，只能生长块状YIG单晶，需要定向切割再磨光抛光。经过加工后成为YIG单晶小球或圆棒作为法拉第旋转子，旋光率低，厚度就相应增加，不利于器件集成化。而电子科技大学用液相外延法做磁光薄膜，厚度只有几微米，达不到法拉第旋转子的旋光度。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种新型磁光单晶材料生长方法，解决现有技术中磁光薄膜生长周期长且厚度达不到旋光率的要求的问题。
本发明解决现有技术问题所采用的技术方案是：一种新型磁光单晶材料生长方法，包括如下步骤：（A）将纯度为99.99%以上的PbO、B2O3、Bi2O3、Fe2O3、Re2O3粉料按确定的比例混合均匀后装入铂坩埚中，再放入液相外延炉中;（B）对液相外延炉先升温再保温，在保温同时使坩埚旋转，使之充分融化并且成分均匀;（C）将GGG基片用超声波在去离子水中清洗干净，固定在清洗干净的铂金夹具上，将夹具放入外延炉预热区预热后，再放入溶液中进行液相外延;(D)外延结束后将基片提升至液面以上并高速旋转甩掉一部分助溶剂，然后取出放入硝酸溶液中进一步去除助溶剂，磨抛加工到所需要的厚度。
作为本发明的进一步改进： 磁光单晶材料中稀土离子Re，为Gd、Er、Dy、Tm、Yb、Tb和Ho中的一种或几种稀土离子的组合。
作为本发明的进一步改进：所述步骤（A）中,将铂金坩埚放入盐酸、水比例为1:2的溶液中进行酸处理，去除表面杂质和助溶剂；如果还有残留的助溶剂，则将铂金坩埚放入加热炉中加热到900℃，再用焦硫酸钾对助溶剂进行处理。
作为本发明的进一步改进：所述步骤（A）中，生长所需助溶剂组成为PbO、B2O3和Bi2O3。B2O3的含量不能过大，（PbO+Bi2O3）/ B2O3的摩尔比值为8~15，PbO/ Bi2O3的摩尔比值为5~2，Bi2O3/Re2O3的比不小于20。
作为本发明的进一步改进：所述步骤（B）中，溶液浓度随生长磁光单晶薄膜厚度的变化而变化，溶液的摩尔浓度为0.09~0.18。
作为本发明的进一步改进：所述步骤（B）中，按150/h的升温速率升到1200℃，并保温10小时以上，在保温同时旋转电机带动坩埚按正反方向旋转，旋转周期T为40~100秒，转速ω为20~40rpm，使溶料混合均匀，然后再降到外延温度准备外延。
作为本发明的进一步改进：所述步骤（B）中，单晶膜外延过程中采取0.2~2.0℃/h的缓慢降温法，以维持溶液有一合适单晶厚膜的过冷度，同时外延时要使溶液浓度均匀，要通过上炉头的旋转电机使基片在溶液中采用间歇、周期性正反向旋转，旋转周期T为20~60秒，旋转速度ω为30~300rpm，粘稠度大的溶液旋转ω应大一些。
作为本发明的进一步改进：所述步骤（C）中，外延过程中根据所需薄膜厚度控制外延时间、降温速率和基片旋转速度。
作为本发明的进一步改进：所述步骤（C）中，去离子水的电阻率：>18MΩ；超声波清洗机的设定为：时间5-17min，功率85~120W，频率20～60KHZ；红外灯的功率为200~300W，烘烤10～25min。
作为本发明的进一步改进：所述步骤（D）中，基片高速旋转时间为30秒，基片放入硝酸溶液中进行处理，溶液中硝酸与水的比例为1:2。
本发明的有益效果是：液相外延法生长掺Bi磁光薄膜，不但大大缩短的生长周期，并且厚度能达到几百微米，既能达到旋光率的要求，又便于加工，减小磁光器件的体积和重量，实现器件集成化。
附图说明
图1是本发明一实施例中稀土石榴石薄膜(ReBi)3Fe5O12薄膜结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
一种新型磁光单晶材料(ReBi)3Fe5O12生长技术，包括如下步骤：（A）将纯度为将纯度99.99%以上的PbO、B2O3、Bi2O3、Fe2O3、Re2O3粉料按确定的比例混合均匀后放入硝酸处理过的铂坩埚中，装入液相外延炉中；（B）对液相外延炉先升温再保温，在保温同时使坩埚旋转，使之充分融化并且成分均匀；（C）将GGG基片用超声波在去离子水中清洗干净，用竹镊子将基片放于红外灯下烘烤，放在清洗干净的铂金夹具上，将夹具放入外延炉预热区预热后，再放入溶液中进行液相外延；外延过程中根据所需薄膜厚度控制降温速率和基片旋转速度；(D)外延结束后将基片提升至液面以上并高速旋转甩掉一部分助溶剂，然后取出放入硝酸溶液中进一步去除助溶剂，最后磨抛加工到所需薄膜厚度。
所述步骤（A）中,将铂金坩埚放入盐酸、水比例为1:2的溶液中进行酸处理，去除表面杂质和助溶剂。如果还有残留的助溶剂，则将铂金坩埚放入加热炉中加热到900℃，再用焦硫酸钾对助溶剂进行处理。
所述步骤（B）中，溶液浓度随生长磁光单晶薄膜厚度的变化而变化，溶液的摩尔浓度通常取0.09~0.18。
所述步骤（B）中，按150/h的升温速率升到1200℃，并保温10小时以上。在保温同时下头旋转电机带动坩埚按图1的方式旋转，旋转周期T为40~100秒，转速ω为20~40rpm，使溶料混合均匀，然后再降到外延温度准备外延。
所述步骤（B）中，单晶膜外延过程中采取0.2~2.0℃/h的缓慢降温法，以维持溶液有一合适单晶厚膜的过冷度，同时外延时要使溶液浓度均匀，要通过上炉头的旋转电机使基片在溶液中采用间歇、周期性正反向旋转，旋转周期T为20~60秒，旋转速度ω为30~300rpm，粘稠度大的溶液旋转ω应适当大一些。
所述步骤（C）中，去离子水的电阻率：>18MΩ；超声波清洗机的设定为：时间5-17min，功率85~120W，频率20～60KHZ；红外灯的功率为200~300W，烘烤10～25min。
所述步骤（D）中，基片高速旋转时间为30秒，基片放入硝酸溶液中进行处理，溶液中硝酸与水的比例为1:2。
要生长出用于磁光隔离器的厚度在400μm以上单晶膜，要求膜和基片的晶格常数失配小于等于0.004 ?，因此选择掺CaMgZr的GGG基片，其晶格常数约12.500 ?左右。

经过多次外延，铂金坩埚中溶液的有效成分会不断析出。根据外延中析出的晶体重量，分析析出的氧化物成分，再向铂金坩埚中添加相应的氧化物，重复上述步骤(B) ~ (D)的操作过程。
一种实施例中，液相外延法生长掺Bi稀土石榴石薄膜(ReBi)3Fe5O12，包括如下步骤：（A）将纯度为将纯度99.99%以上的PbO、B2O3、Bi2O3、Fe2O3、Re2O3粉料按确定的比例混合均匀后装入铂坩埚中，在放入液相外延炉中。（B）对铂坩埚中的原材料进行加热并旋转，使之充分融化并且成分均匀。将GGG基片用超声波在去离子水中清洗干净，固定在铂金夹具上，将夹具放入外延炉中预热后，再放入溶液中进行液相外延。外延过程中控制降温速率和基片旋转速度。(C)外延结束后将基片取出放入硝酸溶液中去除助溶剂，并进一步磨抛加工为磁光薄膜。生长出的单晶膜厚度≥400μm、在λ=1310nm波长下旋光率≥1600°/cm,饱和磁化强度4πMs≤1000Gs。
从工艺上采用液相外延的方法，通过将纯度99.99%以上的PbO、Bi2O3、B2O3、Fe2O3、Re2O3按确定的比例混合均匀后装入铂坩埚加热融化，在（111）取向的CaMgZr：GGG基片上外延钇铁石榴石磁光薄膜；生长钇铁石榴石单晶厚膜需要合适的过冷度，防止较大的过冷度造成自发成核的小晶粒附着在单晶膜表面；过冷度太小又会使晶体生长动力不足，因此，在单晶膜生长过程中采用0.2~2.0℃/h的缓慢降温法，使生长过程溶液维持最合适的过冷度。单晶膜生长方式受基片旋转方式和旋转速度影响，随着石榴石成分结晶析出，基片附近附近溶液中石榴石成分有浓度梯度，要通过搅拌方式使溶液浓度均匀；通过旋转电机使基片在溶液中采用间歇、周期性正反向旋转，旋转周期T为20~60s，旋转速度ω为30~300rpm。
采用本专利技术得到的新型磁光单晶材料，适于在现代光纤通信中磁光隔离器核心——法拉第旋转器，其技术指标为：单晶膜厚度≥400μm、在λ=1310nm波长下旋光率≥1600°/cm,饱和磁化强度4πMs≤1000Gs，可用于制作45°法拉第旋转器。
  以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。