Материалы для магнитооптических устройств и их основные характеристики

 

Для того, чтобы выбрать наиболее подходящий материал магнитооптического кристалла для решения поставленной задачи, необходимо рассмотреть известные магнитооптические материалы и их основные характеристики. В настоящий момент самыми распространенными материалами для магнитооптических устройств являются: монокристаллические пленки феррит-гранатов, выращиваемые на подложках из немагнитных гранатов методом жидкофазной эпитаксии; ортоферриты; металлические аморфные пленки.

 

Феррит-гранаты

1.4.1.1 Кристаллическая структура и параметры решетки.

Феррит-гранаты описываются общей формулой {Σ R_i}₃ [Fe, Me]₂(Fe, D)₃О₁₂, где элементы в фигурных скобках соответствуют додекаэдрической, в квадратных — октаэдрической и в круглых — тетраэдрической подрешеткам граната; R_i – редкоземельные элементы: кальций, висмут, свинец; Me — элементы, замещающие железо в а-подрешетке (скандий, индий, титан, алюминий, галлий, свинец, редкоземельные элементы с малым ионным радиусом); D — элементы, замещающие железо в d-подрешетке (ванадий, кремний, германий, галлий, алюминий). Феррит-гранаты обладают структурой с кубической симметрией. Анионы кислорода образуют кубическую плотную упаковку, пустоты в которой заполняют меньшие по размерам катионы. Тетраэдрическую, октаэдрическую и додекаэдрическую подрешетки образуют катионы, окруженные четырьмя, шестью и восемью анионами кислорода соответственно. В одной формульной единице граната содержатся три додекаэдрические, две октаэдрические и три тетраэдрические позиции.

Поскольку магнитооптически активный ион Bi³⁺ имеет большой радиус (параметр решетки гипотетического граната Bi₃Fe₅O₁₂ равен 1, 262 нм), при использовании традиционной подложки из Gd₃Ga₅О₁₂ (ГГГ, а_ГГГ = 1, 2383 нм) вместе с висмутом в состав МПФГ вводят элементы с малым ионным радиусом (Lu³⁺, Yb³⁺, Tm³⁺, Al³⁺, Si⁴⁺). В противном случае необходимы подложки с большим a_s, например Nd₃Ga₅O₁₂ (НГГ, а_НГГ = 1, 2509 нм) или Sm₃Ga₅O₁₂ (СГГ, асгг = 1, 2436 нм). Однако НГГ и СГГ недостаточно прозрачны, поэтому было предложено использовать подложки (Gd, Ca)₃(Mg, Zr, Ga)₅O₁₂ (ГКМЦГГ). Они прозрачны, как ГГГ, но a_s в них можно изменять от 1, 2380 до 1, 2560 нм путем варьирования содержания Са, Mg и Zr, получая при этом монокристаллы высокого качества с однородным распределением компонентов. Наиболее высококачественны подложки состава Gd_{2, 67}Ca_{0, 33}Ga_{4, 03}Mg_{0, 32}Zr_{0, 65}O₁₂ с а_s= 1, 2495 нм [1].

Оптическое поглощение.

Беспримесные монокристаллы феррит-гранатов в области длин волн 1—6 мкм имеют окно прозрачности, где коэффициент оптического поглощения α очень мал (≤ 0, 1 см^-1). Однако в этом интервале могут присутствовать несколько узких пиков поглощения, связанных с электронными переходами в ионах R³⁺ в с-подрешетке (исключение составляют ионы Lu³⁺, Y³⁺, Gd³⁺ и La³⁺). В окне прозрачности поглощение определяется примесями и разного рода несовершенствами образцов. При λ < 1 мкм поглощение в феррит-гранатах обусловлено электродипольными переходами в ионах железа. В области λ = 10÷ 100 мкм поглощение феррит-гранатов весьма интенсивно и связано с колебательным спектром молекул. При λ > 100 мкм вплоть до СВЧ диапазона феррит-гранаты обладают высокой прозрачностью, а уровень поглощения в них определяется дефектами кристаллической решетки. Для задач прикладной магнитооптики основной интерес представляют видимая и ближняя ИК области спектра.

Пики поглощения, связанные с электронными переходами в редкоземельных ионах, присутствуют и в спектрах немагнитных гранатов (рис. 1.17), что ограничивает их применимость в качестве подложечных материалов.

 

Рис. 1.17. Спектры пропускания ГГГ (1), СГГ (2), НГГ (3) и КНГГ (4)

Спектры поглощения феррит-гранатов в видимом и ближнем ИК диапазоне определяются суперпозицией вкладов от внутриионных электродипольных переходов Fe3+ в кристаллическом поле с типичной силой осциллятора (пропорциональной площади соответствующего пика поглощения) f≈ 10^-5 и значительно более интенсивных и широких переходов межионного типа с обменом заряда в области v> 20 000 см^-1 с типичной силой f≈ 10^-3 (рис.1.17).

Рис.1.18. Спектр поглощения монокристалла Y₃Fe_{3, 85}GA_{1, 15}O₁₂

Внутриподрешеточные парные переходы в ионах Fe³⁺ и переходы с переносом заряда ответственны за оптическое поглощение в диапазоне λ ≤ 0, 45 мкм. В видимом диапазоне доминирующий вклад в а вносят два перехода в кристаллическом поле а- и d-подрешеток (рис. 1.18, 1.19). Эти переходы обусловливают поглощение, которое для беспримесного монокристалла Y₃Fe₅О₁₂ составляет 620 см^-1 при λ =0, 633 мкм. Уменьшить это значение можно, лишь замещая железо диамагнитными ионами (рис. 1.19). Однако при большом содержании таких ионов снижается обменное взаимодействие, что приводит к сильному изменению большинства магнитных и магнитооптических параметров. Введение в состав граната ионов магнитных переходных металлов либо вызывает появление новых переходов, либо влияет на переходы Fe³⁺, что в любом случае приводит к росту α.

Рис. 1.19. Спектры поглощения МПФГ системы Y₃Fe_5-хGA_хO₁₂ при 295 К.

 

Другим фактором, сильно влияющим на поглощение феррит-гранатов, является температура. С ее ростом край окна прозрачности смещается в область больших значений длин волн, что обусловлено двумя причинами: слабым смещением центра переходов в ИК область и уширением пиков поглощения (рис. 1.20), причем второй механизм доминирует.

 

Рис. 1.20. Спектры поглощения МПФГ (Bi, Gd)₃(Fe, Ga)₅O₁₂ при различных температурах, К: 1— 293; 2 — 373; 3 — 473; 4 — 573.

 

Фарадеевское вращение.

Введение диамагнитных ионов в феррит-гранаты в общем случае влияет на магнитные и магнитооптические свойства за счет разбавления соответствующих подрешеток.

В удельное фарадеевское вращение самый большой вклад вносят ионы Bi³⁺. Он в несколько раз выше, чем вклад наиболее магнитооптически активных редкоземельных ионов Рг³⁺ и Nd³⁺. Все остальные редкоземельные ионы дают одинаковый по порядку величины вклад в θ _F (табл. 1.1), причем другого знака, чем Bi³⁺, Рг³⁺ и Nd³⁺. В связи с этим удельное фарадеевское вращение в Bi-содержащих МПФГ слабо зависит от типа редкоземельного иона.

Таблица 1.1. Фарадеевское вращение и МО коэффициенты

Состав	λ, мкм	θ F , град/см	A, град/µв	D, град/µв	C, град/µв
Y3Fe5О12	1, 152		50±3	29 ± 2
Eu3Fe5О12	1, 152		55±3	33 ±2
Gd3Fe5О12	1, 152		42, 4 ±1, 8	27, 1 ±1, 3	1 ±0, 2
Tm3Fe5О12	1, 152		23 ±7	12 ± 6	20±4
Tb3Fe5О12	1, 152		9 ± 15	10± 11	84, 4 ±2, 5
Y3Fe5О12	0, 633		493, 9	321, 3
Y3Fe3, 07Ga1, 93 О12	0, 633		300, 1	203, 1
Y2, 35Bi0, 65Fe5 О12	0, 633	12 600	419, 5	799, 5
Y1, 97Bi1, 03Fe5 О12	0, 633	19 300	876, 3	1394, 1

 

 

Рис. 1.21. Спектры удельного фарадеевского вращения МПФГ системы R_3-хBi_хFe₅O₁₂ с различным содержанием висмута

 

Спектры θ _F (λ ) для МПФГ (R, Bi)₃Fe₅O₁₂ при T = 295 К приведены на рис. 1.21, откуда видно, что в области λ < 0, 450 мкм (где знак эффекта Фарадея положительный) в отличие от области λ > 0, 450 мкм значения θ _F при большом содержании Bi достигают нескольких сотен тысяч градусов на сантиметр, т. е. сравнимы со значениями θ _F в металлических ферромагнетиках. Спектры θ _F для поликристаллических пленок, полученных катодным распылением, практически совпадают со спектрами МПФГ идентичного состава. Индуцированный висмутом вклад в θ _F имеет независимо от его содержания одинаковую спектральную зависимость (рис. 1.22), описываемую соотношением θ _F~λ ²λ ₀²/(λ ²-λ ₀²)², характерным для переходов с диамагнитной формой линии.

 

Рис. 1.22. Спектры удельного фарадеевского вращения Bi-содержащих МПФГ: 1 –Gd_{1, 35}Bi_{1, 65}Fe₅O₁₂(χ =10); 2 – Lu_{1, 29}Bi_{1, 71}Fe₄Ga₁O₁₂(χ =6, 8); 3 - Lu_{1, 91}Bi_{1, 09}Fe_{3, 95}Ga_{1, 05}O₁₂ (χ =4).

Предыдущая12345678910111213141516Следующая

Поделиться:

Популярное:

1. Dermal mask, Коллагеновая тканевая маска для лица, 23гр -
2. I. 49. Основные принципы разработки системы применения удобрений.
3. I. Его руки подняты для благословения.
4. I. Основные подходы к определению и изучению культуры.
5. I. Основные физические явления и процессы в электрических аппаратах
6. I. Основные черты и особенности западноевропейской культуры XIX века
7. I. Основные черты и особенности западноевропейской культуры XIX века.
8. I. Смотрите на Него, приготовляющего для Себя престол.
9. I. ТИТУЛ «ИНТЕРНАЦИОНАЛЬНЫЙ ЧЕМПИОН ПО КРАСОТЕ» (C.I.B.) ДЛЯ ПОРОД С ОБЯЗАТЕЛЬНЫМИ И НЕОБЯЗАТЕЛЬНЫМИ РАБОЧИМИ ИСПЫТАНИЯМИ СОГЛАСНО НОМЕНКЛАТУРЕ FCI.
10. I. ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕКУЩЕГО СОСТОЯНИЯ, ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ РАЗВИТИЯ СФЕРЫ КУЛЬТУРЫ И ИСКУССТВА
11. II. 36. Основные задачи семеноводства.
12. II. Извлеки урок для совести.