CN1054503A - 无稀土低磁矩磁光材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于磁性材料及其制备方法，特别是制备
用于光通讯，光学测量系统中的磁光材料及其制备该
材料的专用方法领域，该材料组成为{Bi3-2KCa2K}
[Fe2-YMY 1](Fe3-KMX 2)O12，采用无铅助熔剂方法制
备。其单晶磁矩低0-640Oe，磁光性能好，该方法操
作简单，而且去掉铅的污染。
Description
本发明属于磁性材料及其制备方法，特别是制备用于光通讯，光学测量系统中的磁光单晶材料及其制备该种材料的方法领域。
目前传统上采用的红外、可见光磁光单晶材料是Y3Fe5O12石榴石单晶及其稀土元素或（和）Bi的替代物。这类材料一般采用助熔剂法生长。通常用PbO和PbF2做助熔剂，将一定比例的Y2O3、Fe2O3与助熔剂混合后，然后放入白金坩埚内，加热到1250℃左右，再缓缓降温，在一定温度下单晶钇铁石榴石会结晶出来。
这种材料一般磁矩在：1750 Oe
居里温度：275℃
比磁光法拉弟旋转角（1300nm）200度/cm
这种制备方法在生产磁光材料中需消耗大量的Y2O3或其它稀土元素，成本高并且烧结温度高，使用PbO和PbF2作助熔剂还带来了铅对环境污染问题。用这种方法生产的钇铁石榴石单晶材料还有比法拉弟旋转角小，磁矩较大，所需外加饱和磁场大的缺点。
参考文献：（1）J.F.Dillon Jr，J.Magn.Mat，31-34，1（1983）.
（2）D.Pardi，Thin Solid Films，114，187（1984）.
（3）G.B.Scott etal.，Appl.Phys，9，71（1976）.
本发明的目的在于克服上述已有技术的缺点和不足之处，为了节约大量稀土元素，降低成本，提供一种用铋替带稀土的含铋的铁石榴石（以下简称BCVIG）单晶磁光材料，该材料具有低磁矩，比法拉弟旋转高达1200度/cm的优点以及提供一种使用Bi2O3为助熔剂的烧结温度低，没有铅污染的专门用来制备含铋的铁石榴石的方法。
本发明提供的BCVIG含铋铁石榴石单晶具有不含稀土低磁矩而且可调整，磁矩在0-6400e，磁光性能高，比法拉弟旋转比YIG单晶高，高达1200度/cm（在1300nm以下），满足了制备光的隔离器、环行器、调制器、光开关元件的要求。其该含铋铁石榴石单晶材料的组成为：
Bi3-2xCa2xFe2-vM1 vFe3-xM1 xO12，其中
M1＝In，Ge，M2＝V.Ga，
Y＝0-0.4，X＝0.8-1.35，
这种含铋铁石榴石单晶为黑色，晶粒大小约1-2cm表面光亮呈石榴石状由于该单晶材料用铋替代稀土元素和掺入In.Ge.V.Ga离子不仅使材料的饱和磁化强度下降、可调整，而且磁晶各向异性也降低，大大地有利于磁光器件的制备和减少器件的体积。所提供的专用于制造该单晶的方法采用无铅助熔剂法。在已有技术中，制造钇铁石榴石单晶需采用PbO和PbF2助熔剂，由于加入Pb后增大了钇铁石榴石的光吸收，使得单晶品质下降，另外对环境带来Pb污染。我们采用无铅助熔剂Bi2O3，Bi2O3助熔剂一个作用是降低单晶材料烧结温度，另外它又做为单晶本身成份而掺进去，取代了稀土元素改进单晶材料品质。
具体生长BCVIG单晶方法如下：首先按下述的原料克分子配比称料，原料均用市售分析纯以上精度材料，原料混合、研磨再经高温烧结即可，所需原料配比如下：
原料：Bi2O3.CaCO3.V2O5.Fe2O3.InO3
克分子比：26-33、28-35、10-5、25-33、0-4、
按上述克分子比称好料混合研磨1-5小时后，放入白金坩埚内压紧，把白金坩埚放入硅碳棒炉内升温到1150℃-1250℃，然后保温5-15小时后，以0.2-2.0℃/小时的速度降温至900C后断电，让其自然冷却到室温，取出白金坩埚内的黑色晶体即是含铋铁石榴石单晶。
实施例1
均用市售的分析纯原料，称量CaCo3按33%克分子比为18.30g，V2O5按7%克分子比称7.06g，Fe2O3按29%克分子比称25.66g，In2O3按1%克分子比称1.35g.Bi2O3称77.45g。将各种原料混合研磨5小时再放入白金坩埚内压紧，再放入硅碳棒炉中升温至1200℃保温10小时后，以0.5-2℃/小时的速度降温至900C断电，生长出含铋铁石榴石单晶的成份为Bi1.16Ca1.84Fe3.98In0.1V0.92O12的大块晶体，
产额约为40%，Ms≈180aus，居里点Tc＝250C.法拉弟旋转与光吸收测量如图1所示。
本发明制备的含铋铁石榴石单晶由于In4+、Ge4+、V5+、Ga3+离子的代入不仅使材料的磁化强度下降，并可调整为0-6400e，而且磁晶各向异性也降低。比法拉弟旋转比（1300以下）为1200度/cm。用本发明制做的单晶材料取0.6mm厚度（YIG单晶要用2.2mm厚）就实现45度磁光旋转，所用外磁场体积也大大减少，做成的磁光隔离器的指标为：
1300nm 1500nm
损耗 隔离 损耗 隔离
用BCVIG做的器件 1.2db ≥40db 1.2db ≥40db
美国器件 1.2db ≥34db 1.0db ≥34db
日本器件 ≤1.0db ≥35db ≤1.0db ≥35db
本发明单晶与YIG晶体相比，制做磁光器件性能价格比更高，节省材料，器件体积小而且性能好，并且制备方法简单，不使用含铅助熔剂成分，对人体危害小，减少环境污染。
图2给出几种石榴石单晶的磁光优值，最低值的曲线是纯YAG单晶的，中间值曲线是采用有铅助熔剂法生长的BCVIG晶体的，最高值的曲线是本发明的无铅助熔剂法生长的BCVIG单晶的高的磁光优值。
Claims (3)
1、一种含铋的铁石榴石磁光单晶材料，其特征在于：
由{Bi3-2xCa2x}[Fe2-yM1 y](Fe3-xM2 x)O12组成，
其中M1=In.Ge，M2=V.Ga，
Y=0-0.4，X=0.8-1.35
2、一种专用于制备权利要求1所述的含铋的铁石榴石磁光单晶材料的无铅助熔剂法，其特征在于：以采用Bi2O3助熔剂，其成分配比为：
CaCo3V2O5Fe2O3InO3Bi2O3
28-35 10-5 25-33 0-4 26-33
原料经混合研磨1-5小时，放入白金坩埚内压紧后装入硅碳棒炉中，升温至1150℃-1250℃后保温5-15小时，再以0.2-2.0度/小时速度降温至900℃断电，让其自然冷却到室温。
3、按权利要求1所述的制备含铋的铁石榴石磁光单晶材料的无铅助熔剂法，其特征在于：所用原料均采用分析纯以上纯度。
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