YIG单晶液相外延法设备及生长研究
YIG是一类具有优异磁、磁光、微波性能的石榴石结构材料，被广泛应用于各类各类光学器件、磁光器件和微波器件，尤其是在当前5G快速发展的背景下，对以磁光隔离器为主的非互易性光学器件有着重大需求，需要高质量的YIG磁光晶体。此外，自旋电子学发展严重依赖于对自旋极化电流的控制，而自旋极化电流携带自旋角动量，可通过自旋转移过程来操纵磁矩。YIG作为铁磁性绝缘材料具有极低的磁阻尼系数，高质量YIG薄膜在自旋电子器件的制备中有着十分重要的作用，受到了工业界及学术界的广泛关注。YIG晶体生长难度极大，而且需要助熔剂才能获得石榴石相。目前，无论体单晶还是薄膜，比较成功的生长技术都集中在LPE方法上。但是，我国通讯产业和国防建设所需YIG晶体全部依赖进口，国外对YIG晶体的LPE设备和技术严密封锁，因此研发国产LPE设备，生长YIG晶体是突破技术封锁、确保产业安全的重要课题。因此，本论文重点研制YIG晶体液相外延法生长设备，并且在液相外延法制备YIG晶体的助熔剂选择方面开展了一点初步工作。取得的研究结果如下： （1）研制了液相外延法设备，可用于YIG晶体的生长。设备长时间运行温度可达1200℃，控温精度在±0.1℃，满足YIG单晶的生长温度要求。加热采取多段式加热，每一段加热程序相互独立协调控制；炉体不锈钢外壳、保温砖、坩埚及平台采用同心圆的结构设计；基片可以实现自动正反转，坩埚上方配有Pt材质反射罩，减少了空气热对流及热辐射，维持熔体温度的稳定，通过这样的设计，更好地实现了对温场的控制。实验中测温分为多段式炉体测温及熔体测温，熔体测温方式为坩埚底部测温为主，熔体直接测温为辅，可得到更精确，可信的温度。整体使用PLC控制系统，电脑化操作，程序易编程，数据自动记录并且实现了网络通信。同时，设备配有CCD成相系统，可实时监控炉体内部情况。即该设备适用于液相外延法制备YIG单晶。 （2）Bi2O3-B2O3无铅助熔剂可作为液相外延法生长YIG晶体的助熔剂体系，可得到纯相YIG晶体。空气氛围下，Pt坩埚完全适用于该体系下晶体的生长；优化合成条件确定了1350℃/12h作为液相外延法用YIG多晶料合成条件；通过改变不同的n(Fe/Y)值与B2O3量，发现随着熔体中n(Fe/Y)=1.67、2、2.5、4的不断增大，得到的晶体物相从纯相YIG（n(Fe/Y)=1.67）到Fe2O3(主)+YIG相（n(Fe/Y)=1.67）转变，表明添加过多的Fe会影响YIG相的生成；同时在n(Fe/Y)=1.67时，将B2O3的质量由3%增加到5%，过量的B2O3消耗了过多的Y2O3，造成熔体中Fe与Y配比失调，导致生成晶体物相表现为YIG+Fe2O3相。但总的来说，该助熔剂体系完全适用于液相外延法生长YIG晶体，但仍需要加强该助熔剂体系下YIG晶体液相外延法生长的理论研究，同时进一步优化生长工艺。
液相外延设备;磁光晶体;YIG单晶液;助熔剂法
上海应用技术大学
硕士
化学工程
徐家跃;刘福海
2020
中文
O782.9;O482.55
2021-11-15（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）