Кристаллические подложки GGG vs. SGGG: Что лучше выбрать для ваших технологических нужд?
1 Введение
Гадолиний-галлиевый гранат (ГГГ) и самарий-гадолиний-галлиевый гранат (СГГ) - кристаллы со структурой граната, которые обладают уникальными оптическими свойствами, такими как нелинейная оптика и магнитооптические свойства, а также магнитными и тепловыми свойствами. Благодаря этому они широко используются в оптоэлектронике, сенсорах и магнетизме. В общем и целом, благодаря введению Sm3+, SGGG обладает более интенсивными оптическими, магнитными, тепловыми и электрическими свойствами по сравнению с GGG, но с точки зрения стабильности и зрелости развития GGG по-прежнему остается основным в настоящее время.
2 Кристаллическая структура GGG и SGGG
Кристаллы гадолиний-галлиевого граната (GGG) принадлежат к кубической кристаллической системе, типу изометрической кристаллической системы. Постоянная решетки составляет 12,383 Å, а кристаллографическая элементарная ячейка состоит из 8 химических молекулярных единиц. Являясь производным от системы кристаллов граната, его кристаллическая структура похожа на структуру граната, где Gd2+ и Ga3+ занимают положительно валентные ионные позиции, соответственно, в сочетании с орто-октаэдром или тетраэдрическим каркасом, обеспечиваемым [GaO4]4-. Как и гранат, GGG обычно имеет орто-додекаэдрическую кристаллизацию, также встречается дельтовидный икоситетраэдр.
Самарий-гадолиний-галлиевый гранат (SGGG) - кристалл, полученный заменой части Ga3+ на Sm3+, допированный в GGG, который по внешнему виду и кристаллической структуре похож на GGG. Ионный радиус Sm3+ больше по сравнению с Ga3+, поэтому замена Ga3+ на Sm3+ в той же позиции приводит к небольшому искажению кристаллической структуры, что вызывает небольшие изменения в кристаллической структуре SGGG, приводящие к частичному различию в свойствах.
3 Оптические свойства GGG и SGGG и соответствующие применения
3.1 Нелинейно-оптические свойства
GGG и SGGG принадлежат к кубической кристаллической системе, и их кристаллические структуры не обладают центральной симметрией; в нецентросимметричной структуре центральная инверсионная симметрия одновременно нарушается, что заставляет GGG проявлять нелинейные эффекты второго порядка, такие как генерация второй гармоники (SHG), оптические параметрические колебания (OPO) и т.д. Таким образом, GGG и SGGG обладают нелинейными оптическими свойствами и находят важное применение в лазерах, а также в связи и зондировании.
3.1.1 Области применения, связанные с нелинейно-оптическими свойствами GGG
Лазерные технологии: GGG может быть использован для изготовления генераторов второй гармоники (SHG) и оптических параметрических генераторов (OPO), которые могут быть использованы для генерации удвоения частоты лазерного выхода, смешивания частот и других процессов в лазерной обработке, спектральном анализе, биомедицинской визуализации и т.д.
Системы LIDAR: GGG также может быть использован для изготовления нелинейной оптики в системах LIDAR для модуляции, слияния и обнаружения лазерных пучков. Системы LIDAR широко используются в дистанционном зондировании, геологической разведке, аэрокосмической промышленности и других областях.
Оптическая связь и зондирование: GGG может использоваться для производства таких устройств, как оптические модуляторы и оптические переключатели, которые используются для модуляции и управления передачей и обработкой оптических сигналов для реализации высокоэффективной передачи оптических сигналов с малыми потерями. Они также могут использоваться для производства оптических датчиков, которые используются для обнаружения таких параметров, как интенсивность, частота и фаза оптических сигналов. Датчики на основе GGG широко используются в таких областях, как мониторинг окружающей среды, медицинская диагностика и промышленный контроль.
3.1.2 Улучшенные нелинейно-оптические свойства SGGG
Кристаллы SGGG легируются Sm3+ для замены части Ga3+ в кристаллах GGG, что приводит к небольшому изменению кристаллической структуры и, как следствие, к определенным изменениям оптических свойств. Введение Sm3+ добавляет нелинейный механизм поляризации, что приводит к усилению нелинейно-оптического отклика SGGG, которые демонстрируют большие нелинейно-оптические коэффициенты в некоторых нелинейно-оптических приложениях, а также более высокую эффективность преобразования.
Это не означает, что SGGG могут полностью превзойти и заменить GGG в приложениях нелинейной оптики. В результате введения Sm3+, наряду с более высокими нелинейно-оптическими коэффициентами, изменение кристаллической структуры приводит к некоторому снижению стабильности оптических характеристик SGGG. Это изменение делает SGGG более чувствительным к условиям окружающей среды в сценариях применения, поэтому, когда требования к стабильности и постоянству высоки, SGGG все еще превосходит SGGG. При высоких требованиях к стабильности и постоянству GGG все же лучше, чем SGGG.
3.2 Магнитооптические свойства
GGG и SGGG обладают магнитооптическими свойствами. Магнитооптический эффект - это явление, при котором оптические свойства материала изменяются под действием приложенного магнитного поля. Это изменение может проявляться в виде изменения состояния поляризации, показателя преломления, поглощения света и т.д. Магнитооптический эффект GGG возникает в основном за счет взаимодействия его кристаллической структуры и внутренних ионов, а также под воздействием приложенного магнитного поля. Под действием магнитного поля спин и орбитальное движение ионов (обычно ионов переходных металлов) в магнитооптических кристаллах изменяются, что приводит к изменению оптических свойств. Под действием приложенного магнитного поля спины ионов в магнитооптических кристаллах взаимодействуют с фотонами, что приводит к повороту направления поляризации света. Это явление также известно как эффект Фарадея.
3.2.1 Приложения, связанные с магнитооптическим эффектом
Магнитооптические накопители: Магнитооптический эффект GGG широко используется в магнитооптических устройствах хранения данных. Используя магнитооптический эффект, можно записывать, считывать и стирать информацию на носителе. Магнитооптические устройства хранения данных обладают такими преимуществами, как высокая плотность хранения, высокая скорость и долговременная стабильность, поэтому имеют важные перспективы применения в области хранения данных.
Оптические устройства для связи и зондирования: GGG и SGGG также могут быть использованы для производства оптических устройств, таких как оптические модуляторы и оптические переключатели. Эти устройства могут осуществлять модуляцию и управление оптическими сигналами, которые используются в области оптической связи, обработки оптических сигналов и оптического зондирования. Используя магнитооптический эффект, можно добиться модуляции и управления оптическими сигналами в оптическом волокне для таких применений, как зондирование магнитного поля и визуализация магнитного поля. Магнитооптические волоконно-оптические датчики обладают такими преимуществами, как высокая чувствительность, быстрая скорость отклика и способность противостоять помехам, поэтому они имеют широкий спектр применения в области измерения и визуализации магнитного поля.
Оптические изоляторы: Магнитооптический эффект также может быть использован для изготовления оптических изоляторов, которые используются для предотвращения обратного распространения и перекрестных помех оптических сигналов. Оптические изоляторы играют важную роль в оптической связи и оптических устройствах для улучшения стабильности и производительности системы.
3.2.2 Усиленные эффекты в SGGG
По сравнению с GGG, SGGG будет иметь более очевидный магнитооптический эффект благодаря допированию Sm3+ и его неспаренных электронов в качестве иона переходного металла. И в то же время соответствующая стабильность и применение, эти два свойства по-прежнему имеют свои сильные стороны и дополняют друг друга.
3.3 Терагерцовый отклик
Терагерцовый отклик относится к отклику материала на терагерцовый диапазон (обычно определяемый как электромагнитная волна, расположенная между инфракрасным и микроволновым диапазоном, с диапазоном частот от 0,1 ТГц до 10 ТГц). Терагерцовый диапазон обладает многими особыми свойствами, включая высокую проникающую способность, неионизируемость, уникальные свойства поглощения для биологических тканей и многих материалов и т.д. Магнитооптический отклик GGG и SGGG в диапазоне частот от 30 ГГц до 1 ТГц, а также тензор отклика материала были исследованы Мохсеном Саббаги и др. В этом спектральном диапазоне материалы демонстрируют недисперсионные характеристики и минимальное ослабление оптического сигнала. Примечательно, что при низких температурах в образцах (S)GGG наблюдаются ярко выраженные терагерцовые вращения Фарадея. Такое заметное гироэлектрическое поведение, вероятно, связано с повышенным спиновым парамагнитным состоянием, которое демонстрируют ионы Gd3+ в структуре материала.
3.4 Фотолюминесценция
Сравнительный анализ спектров ЭПР, оптического поглощения (ОП) и люминесценции монокристаллов GGG был проведен Н. Мироновой-Ульмане и др. В кристаллах, облученных максимальным потоком нейтронов, спектры ЭПР показали наличие нескольких парамагнитных дефектов. В необлученном GGG фотолюминесценция характеризуется наличием нерегулируемых примесей. Однако при нейтронном облучении GGG возникает широкий асимметричный спектр люминесценции с заметным пиком в диапазоне от 725 до 733 нм. Этот пик усиливается пропорционально флюенсу облучения. Таким образом, эта спектральная полоса, вероятно, связана с появлением радиационно-индуцированных дефектов в материале.
Технология фотолюминесценции находит широкое применение в биологическом и химическом анализе (флуоресцентное мечение, флуоресцентная спектроскопия и т.д.), оптических сенсорах, а также в широком спектре люминесцентных устройств, таких как флуоресцентные приборы, светодиодные светильники и т.д. Исследование соответствующих свойств GGG позволяет говорить о возможности определенного развития областей его применения в будущем.
4 Магнитные свойства GGG и SGGG и связанные с ними области применения
Как уже упоминалось, GGG и SGGG обладают магнитооптическими свойствами, а проявление магнитооптических свойств основано на намагничивании веществ в магнитном поле и обусловленном этим изменении оптических свойств. Поэтому свойство намагниченности GGG и SGGG также является важной основой для их широкого применения. GGG и SGGG обладают ферромагнетизмом, обусловленным магнитным моментом Gd3+, который проявляется в явлении намагничивания, а также в магнитооптическом эффекте под действием приложенного магнитного поля.
Поскольку электроны во внешнем слое Gd3+ в основном являются 4f-электронами, эти электроны имеют несколько неспаренных спиновых электронов на своих атомных орбиталях, что приводит к образованию атомов гадолиния с высоким спиновым угловым моментом. Эти неспаренные спиновые электроны придают атомам гадолиния большой спонтанный магнитный момент при комнатной температуре, тем самым проявляя ярко выраженный магнетизм. Кристаллическая структура GGG и SGGG представляет собой кубическую кристаллическую систему, которая относится к гексагональному кристаллу. В этой кристаллической структуре направление спина Gd3+ упорядочено внутри кристалла, что приводит к образованию магнитных доменов. Такое упорядоченное расположение способствует формированию макроскопически наблюдаемых магнитных свойств.
С точки зрения применения, рост пленок ферромагнитного граната на подложках GGG может быть использован для изготовления магнитооптических устройств и магнитно-пузырьковой доменной памяти. Выращивание сложных полупроводников III-V на подложках GGG может быть использовано в системах оптической связи, таких как интегрированные магнитооптические изоляторы и лазерные диоды; интегрированные магнитооптические схемы с интегрированными излучателями, детекторами, изоляторами, циркуляторами, непересекающимися взаимными сдвигами, модуляторами и т.д.; магнитные записи с интегрированными магнитными считывающими головками; магнитометрия и др.
5 Тепловые свойства GGG и SGGG и соответствующие применения
Синтетические кристаллы с гранатовой структурой, помимо использования в квантовой электронике, находят широкое применение в различных областях науки и техники. Необходимость тщательного изучения теплофизических характеристик гранатов обусловлена той незаменимой ролью, которую они играют в проведении точных инженерных расчетов, имеющих ключевое значение для проектирования и оптимизации соответствующих устройств. Без всестороннего понимания этих свойств эффективность и надежность таких устройств остается под вопросом. Д.А. Самошкин, С.В. Станкус и др. исследовали новые и надежные экспериментальные данные по теплоемкости НГГ и ГГГ в твердотельном диапазоне температур 300-975 К. Полученные результаты сравниваются с существующими литературными данными по теплоемкости НГГ и ГГГ. Проведено сравнение экспериментальных результатов с существующими литературными данными. Впервые получены данные для температурного интервала 700-975 K. При тех же условиях коэффициент теплоемкости GGG постепенно увеличивается с ростом температуры, и тенденция роста постепенно замедляется, демонстрируя все более плавную картину.
6 Подготовка GGG и SGGG
При изготовлении кристаллов GGG и SGGG по методу Чохральского первостепенное значение имеет тщательный контроль температуры и скорости подъема.
Контроль температуры: Точное управление температурой в расплаве является ключевым моментом в процессе Чохральского. Оно подразумевает поддержание такого распределения температур, которое обеспечивает температуру плавления на границе раздела твердое тело-жидкость и одновременно создает определенную степень переохлаждения вокруг затравочных кристаллов. Такое переохлаждение предотвращает образование дополнительных ядер, способствуя упорядоченному расположению атомов или молекул в монокристаллической структуре. Непрерывное поступление тепла от нагревателя необходимо для поддержания расплава при требуемой температуре, часто значительно превышающей температуру окружающей среды.
Скорость подъема: Скорость подъема кристалла оказывает существенное влияние на скорость и качество его роста. Оптимальная скорость вращения способствует эффективному перемешиванию внутри расплава, минимизируя радиальные температурные градиенты и предотвращая чрезмерное переохлаждение компонентов. Обычно для достижения желаемых характеристик роста кристаллов используется скорость подъема в диапазоне 6-15 мм в час.
Высококачественные бескерновые кристаллы GSGG легко выращиваются и позволяют избежать примесей, напряжений и других дефектов, вызванных ростом малой поверхности.
Монокристаллы GGG с менее чем 5 дефектами/см 2, вызванными включениями иридия и дислокациями, были получены Д. Ф. О'Кейном и др. с помощью управляемой компьютером телевизионной системы роста кристаллов Чохральского. Атмосфера чистого азота в устройстве для вытягивания кристаллов успешно уменьшала количество включений иридия в вытягиваемых кристаллах. Во время роста кристаллов высокая скорость вращения кристаллов и медленная скорость вытягивания предотвращали образование кернов; при такой высокой скорости вращения можно было наблюдать полосы в кристаллах. Дислокаций удается избежать благодаря хорошему контролю диаметра кристалла во время роста. Для выявления дислокаций была разработана процедура травления. Параметры решетки GGG не менялись в течение 26 часов, необходимых для роста. Избыток Ga203 в расплаве привел лишь к незначительному уменьшению параметра решетки, в то время как избыток Gd203 значительно увеличил параметр решетки.
7 Заключение
Гадолиний-галлиевый гранат (ГГГ) и самарий-гадолиний-галлиевый гранат (СГГ) - кристаллические материалы, известные своей гранатовой структурой, характеризующейся замечательными оптическими, магнитными и тепловыми свойствами. Эти уникальные свойства, включая нелинейную оптику и магнитооптические эффекты, делают их незаменимыми в различных областях, таких как оптоэлектроника, сенсорные технологии и магнетизм. Хотя и GGG, и SGGG находят широкое применение, SGGG, дополненный добавкой самария (Sm3+), демонстрирует улучшенные оптические, магнитные, тепловые и электрические характеристики. Однако, несмотря на превосходные свойства, GGG остается преобладающим выбором благодаря своей стабильности и зрелости в разработке в рамках современного ландшафта материаловедения и инженерии.
Связанное чтение:
Инновации в оптике: Роль гранатовых булей GGG, SGGG и NGG
Ссылка
[1]Миронова-Ульмане Н,Попов А,Антузевиц А,и др. ЭПР и оптическая спектроскопия нейтронно-облученных монокристаллов Gd 3 Ga 5 O 12[J]. Ядерные инст. и методы в физич. исследованиях, B, 2020, 480.
[2]Mohsen S , W. G H , Michael W , et al. Терагерцовый отклик гадолиний-галлиевого граната (GGG) и гадолиний-скандий-галлиевого граната (SGGG)[J]. Journal of Applied Physics, 2020, 127(2).
[3]Самошкин А Д , А Д С , В С С . Теплоемкость неодим- и гадолиний-галлиевых гранатов[J]. Журнал физики: Conference Series,2020,1677(1).
[4]O'Kane F D , Sadagopan V , Giess A E , et al. Crystal Growth and Characterization of Gadolinium Gallium Garnet [J]. Journal of The Electrochemical Society, 2019, 120(9).
