CN1058760C - 含铈磁性石榴石单晶及其制造方法 - Google Patents

含铈磁性石榴石单晶及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种尺寸足供隔离器的光通信和电子器件之材料应用的含铈磁性石榴石单晶及其制造方法，后者包括：熔化含铈磁性石榴石多晶，同时，施加陡而大的温度梯度于熔体的固液界面，随后固化所熔化的多晶。最好联系采用例如，由激光束组成的主加热装置和由来自卤素灯反射光组成的辅加热装置来加热多晶。

Description

含铈磁性石榴石单晶及其制造方法
本发明涉及含铈磁性石榴石单晶及其制造方法，具体而言，涉及用作光磁光学元件材料和静磁元件材料(例如用于光隔离器的光通信和光记录等)的含铈磁性石榴石单晶及其制造方法。
作为用作光通信中重要器件的光隔离器材料，一般需要在应用波段内光吸收较少、法拉第效应较强并随温度的变化较小。作为满足上述条件的材料，先前已经研制出了含铁磁性石榴石单晶，例如钇铁石榴石单晶(Y3Fe5O12：以下称为”YIG”)。这种YIG是不相容熔体型化合物，并且YIG单晶无法直接从熔体组份相同的原材料中获得。因此，YIG单晶通常采用流体方法制备。
此外，由于YIG单晶存在法拉第旋转角度小以及该角度随温度变化较大的缺点，所以Y位置用Bi来替换作为增大法拉第选择角的措施，并且用Gd等稀土元素来替换Y位置作为减小角度随温度变化的措施。
最近发现，用Ce3+来替换YIG单晶中的Y3+产生了较大的法拉第效应。
但是，在制备Y位置由Ce替换的磁性石榴石单晶(以下简称为”Ce：YIG”)过程中，溅射方法的问题是只能获得1-2微米左右厚的薄膜，而这种薄膜在光通信和电子器件中是用处不大的。
因此，为了为了获得较厚的Ce：YIG膜，人们试图采用与制造用Bi和Gd替换Y位置的磁性石榴石材料(简称为”BiGd：YIG”)同样的方法来制造Ce：YIGd并用作普通的隔离器材料。以下描述该方法。
YIG是一种所谓的不相容熔体型化合物并且随着温度的升高而在1570℃左右分解。即使当具有化学计量比成份的YIG熔体固化时，也无法得到YIG，而得到的是正铁氧体与铁氧化物的混合物。因此，为了获得BiGd：YIG单晶，要采用流体法、浮区法、液相外延等方法。例如，在流体法中，三氧化二铁(Fe2O3)、三氧化二钇(Y2O3)、三氧化二铋(Bi2O3)和三氧化二钆(Gd2O3)作为溶质被溶解在含有氧化铅(PbO)和三氧化二硼(B2O3)的溶剂内从而制备出溶液。籽晶被放置在由此形成的溶液内，随后逐渐冷却以获得晶块。TSFZ作为浮区法的一种也以相同的方式制造出了晶块。另一方面，在液相外延方法(以下简称为”LPE方法”)中，YIG单晶薄膜形成于钆镓石榴石(Gd3Ga5O12以下简称为”GGG”)。
为了获得尺寸足以满足光通信和电子器件应用要求的Ce：YIG单晶，需要采用上述方法。但是，例如LPE方法的问题是YIG中Ce含量较低并且Ce在晶体中以4价离子形式存在而不是以3价离子形式存在，因而无法获得法拉第效应，并且由于光吸收的增加，使得其不适于用作光学材料。在由流体法和TSFZ方法获得的晶体中也存在同样的问题。
因此，只有Ce：YIG单晶薄膜能够利用溅射方法获得，然而无法制造出在尺寸上足以满足隔离器光通信用材料和电子器件用材料的含Ce磁性石榴石单晶。
因此，本发明的一个目标是提供一种能够用作隔离器光通信材料和电子器件材料的含铈磁性石榴石单晶及其制造方法。
按照本发明的一个方面，提供了一种含铈磁性石榴石单晶的制备方法，其特征在于包含下列步骤：
提供用化学式CexR3-xMyFe5-yO12(0＜x≤2和0＜y≤2)表示的含铈磁性石榴石多晶，其中R至少是Y和原子量介于59-71之间的稀土元素中的一种，M至少是Ga和Al中的一种；
通过利用光学加热器在含铈磁性石榴石多晶的固液界面处施加大于500℃/10mm的温度梯度熔化含铈磁性石榴石多晶，所述光学加热装置包括使激光束直接射在熔区内多晶加热部分的激光器和反射所发射光束从而使光束聚焦在加热部分的光热发生器和反射器；以及
固化被熔化的多晶以生长出含铈磁性石榴石单晶。
按照本发明的另一方面，所提供的含铈磁性石榴石单晶制备方法的特征在于所述温度梯度如此之大以致于不会产生在含铈磁性石榴石固液之间达到平衡态时形成的正铁氧体结构。
按照本发明的另一方面，所提供的含铈磁性石榴石单晶制备方法的特征在于所述含铈磁性石榴石多晶可以制备成棒状、薄片状和薄膜状这三种形状中的任意一种。
在这种情况下，激光束和反射光束聚焦的部分被熔化，并且在固液界面上施加以均匀性良好而变化幅度大而陡峭的温度差异。当聚焦位置移动时，光线未聚焦部分迅速冷却。由此得到了迄今为止尚无法获得的大尺寸高质量单晶。
而且，在按照本发明的含铈磁性石榴石单晶制造方法中，含铈磁性石榴石多晶可以制备成棒状、薄片状和薄膜状这三种形状中的任意一种。
在这种情况下，可以获得形状是棒状、薄片状和薄膜状这三种形状中任意一种的含铈磁性石榴石单晶。
通过以下结合附图对本发明的描述可以进一步理解本发明的上述目标、其它目标、特征和优点。
图1(A)为制造按照本发明的纤维状含铈磁性石榴石单晶用单晶生长设备实例的剖面前视图；
图1(B)为该设备的剖面平面图；
图2为表示样品位置与主加热装置激光束和辅助加入装置卤素灯能量分布之间关系的曲线图；
图3为表示样品位置与温度之间关系的曲线图；
图4为本发明的含铈磁性石榴石单晶的法拉第效应与普通YIG法拉第效应比较结果的曲线图；
图5为表示图1所示单晶生长设备改进实例主要部分的示意图；
图6为表示实例5中滤波特性测量方法的示意图；以及
图7为表示实例5中滤波特性测量结果的曲线图。
发明人提出了一种激光聚焦单晶生长方法。该方法无需流体就能够从YIG相同的熔体成份中制造出YIG单晶纤维和YIG单晶薄膜。该方法包括使激光束聚焦以在固液界面处形成变化幅度大而陡峭的温度梯度从而利用温度梯度效应制造出不会形成正铁氧体(它们在平衡态下形成)的单晶相YIG。发明人还发现，由激光聚焦单晶生长方法获得的Ce：YIG单晶(含铈磁性石榴石单晶)具有较大的法拉第效应。
图1(A)为制造按照本发明的纤维状含铈磁性石榴石单晶用单晶生长设备实例的剖面前视图；而图1(B)为该设备的剖面平面图。
附图中所示的单晶生长设备10包括构成主加热设备的YAG激光器12。YAG激光器12包括分别通过光纤14a和14b形成的两个激光束发射端口16a和16b。
单晶生长设备10进一步包括罩体17。在罩体17内形成有双椭圆镜18作为反射板，该椭圆镜的三维形状为一个由双椭圆沿其长轴旋转而成的双椭球面。“双椭圆”的含义是由两个共焦的椭圆组合形成。激光束发射端口16a和16b在由双椭圆镜18形成的空间中央互相面对设置从而使激光束通过罩体17和双椭圆镜18。
在双椭圆镜18内各个椭圆的焦点上放置了卤素灯20a和20b。双椭圆镜18和卤素灯20a和20b构成了作为辅助加热装置的光加热装置。每个卤素灯20a和20b都是作为热源的光源。卤素灯20a和20b发出的光线由双椭圆镜18的内表面反射并聚焦至双椭圆的共焦点F上。通过激光发射端口16a和16b发射的激光束也直接射向双椭圆镜18内椭圆的共焦点F。
因此位于双椭圆镜18形成的空间中央的共焦点上的样品被加热。此外，YAG激光的输出和卤素灯20a和20b的输出可以调节从而使温度分布和温度梯度处于优化状态。在本发明中，共焦点F处的温度例如变为1700℃左右，但是周边部分不被加热。这样，在沿着共焦点F的方向上温度迅速降低，从而在加热部分与其周边部分形成变化幅度大而陡峭的温度梯度。
在双椭圆镜18内部，夹持原料棒和籽晶用的上转轴22a和下转轴22b在共焦点F两侧相对放置。上转轴22a和下转轴22b从双椭圆镜18的内部向外突出并分别附着在上转轴运动装置23a和下转轴运动装置23b上。上转轴运动装置23a和下转轴运动装置23b分别使上转轴22a和下转轴22b同步轴向运动。运动速度比较好的是在1-8mm/hr之间。上转轴22a和下转轴22b的运动速度可以相同或者不同。例如，如果上转轴22a和下转轴22b之间的距离逐渐增加，则可以获得较薄的单晶。相反，如果上转轴22a和下转轴22b之间的距离减少，则可以获得较厚的单晶。单晶生长设备采用的是加热用激光束和反射光的聚焦位置固定而原料棒运动的系统。但是反过来，设备也可以采用激光束和反射光的聚焦位置运动而原料棒固定的系统。
在与下转轴22b相对的上转轴22a末端固定着形状可以是例如圆棒形、方棒形、平板形等形状的含铈磁性石榴石多晶作为原料棒24。含铈磁性石榴石多晶用化学式CexR3-xMyFe5-yO12表示，其中R至少是Y和原子量介于59-71之间的稀土元素中的一种，而M至少是Ga和Al中的一种。
如果原料棒为圆棒形，则得到截面为圆形的纤维单晶，而如果采用方棒作为原料棒24，则得到截面为矩形的纤维或片状单晶。当需要得到截面为矩形的单晶时，需要调整所施加激光束的斑点，例如为了较方便地获得这样的单晶，将其调整为扁长形的。例如如图5所示，当原料24较宽时，激光束可以通过透镜40发散以拓宽辐射斑点。
在与上转轴22a相对的下转轴22b末端固定着籽晶25。如上所述原料棒24和籽晶25相对夹持。作为籽晶25，比较好的是采用Ce：YIG单晶，但是也可以采用YIG单晶。籽晶25可以附着在上转轴22a上，而原料棒24可以附着在下转轴22b上。
此外，例如可以用在浆料状GGG衬底覆盖含铈磁性石榴石多晶并随后使其干化而形成的原料24代替原料棒24。在这种情况下可以在GGG衬底上获得片状或薄膜铈磁性石榴石单晶。在这种情况下，上转轴22a和下转轴22b都可以用于夹持和移动原料24。
而且，上转轴22a、下转轴22b、原料棒24、籽晶25和最终的单晶可以容纳在一根石英管27内。根据单晶生产条件在石英管27内通入合适比例的氩气或氧气。
以下描述利用单晶生长设备生产含铈磁性石榴石单晶的方法。与籽晶25相对的原料棒24的末端开始时位于共焦点F处。随后原料棒24的末端由主加热装置和辅助加热装置加热至1700℃而熔化。籽晶25的末端被放入而与原料棒24的熔化端接触以形成熔区26。即熔区形成于双椭圆镜18共焦点F处。上转轴22a和下转轴22b随后如上所述沿轴向运动以使熔区26从原料24的一端移动至另一端，从而连续不断地熔化和固化。这样就可以获得所需的含铈磁性石榴石单晶28。
图2为表示样品位置与主加热装置激光束和辅助加入装置卤素灯能量分布之间关系的曲线图；图3为表示样品位置与温度之间关系的曲线图。在图3中熔区26用黑色部分表示。在图2和3中，样品位置用相距原料棒24上原点处熔区的距离表示。
图2表明，卤素灯具有相对较宽的能量分布，而激光具有较窄而更强的能量分布。借助卤素灯能量和激光束能量的组合使用，单晶生长设备10可以在熔区26与其附近区域之间形成变化幅度大而陡峭的能量分布。单晶生长设备10如图所示，由此在固液界面内的单晶形成区域形成了变化达到800℃/10mm的温度分布。
虽然本实例中所用加热装置可以形成这样的温度梯度，但是即使增加激光输出以进一步提供温度梯度，也仍然能够达到所需的目标。当温度梯度小于500℃/10mm时，不希望出现的首先沉积正铁氧体的趋势开始增加。
以下描述纤维含铈磁性石榴石单晶的实例。在这些实例中所用的YAG激光束的波长为1.064微米而输出我20W。卤素灯20a和20b的输出例如22250W，即总共为500W。样品与卤素灯20a和20b之间的距离为10mm左右。在这种情况下，位于共焦点F处的原料棒24温度为1700℃左右。在这些实例中，光聚焦斑点大致为纵轴为1mm而横轴为6mm的椭圆。
为了考察原料棒籽晶与运动速度之间的关系，制备了直径各异的(Ce0.3Y2.7)Fe5O12棒作为含铈磁性石榴石多晶的原料棒。制备了直径为1mm的<111>晶向的YIG作为籽晶。两种材料都夹持在上述单晶生长设备10中，每根原料棒都受到等功率的灯和激光的照射，而原料棒的移动速度则在改变。对这样获得的晶体作组份分析和法拉第效应的测量。所获结果示于表1。
表1
原料直径mm     0.5    0.8     1.0     1.5     2.0     2.5     3.0
移动的速度mm/h    2.0     ◎    ◎     ◎     ◎     ○     ×     ×
   0.5     ◎    ◎     ◎     ◎     ○     ×     ×
   1.0     ◎    ◎     ◎     ○     ×     ×     -
   2.0     ◎    ◎     ◎     ○     ×     ×     -
   4.0     ◎    ◎     ◎     ×     ×     ×     -
   8.0     ◎    ○     ○     ×     ×     -     -
   16.0     ○    ×     ×     ×     ×     -     -
   32.0     ×    ×     ×     -     -     -     -
◎：有法拉第效应的单晶
○：无法拉第效应的单晶
×：没有形成单晶
-：未作实验
在表1用◎标记的区域中，得到了(Ce0.3Y2.7)Fe5O12单晶，并观察到了大的法拉第效应。而在用○标记的区域中，虽也得到了(Ce0.3Y2.7)Fe5O12单晶，但没有观察到法拉第效应，并测量到了大的光吸收。由此可以认为，在该区域中Ce以四价离子而不是以三价离子形式存在。在用×标记的区域中，没有得到单晶，并且观察到了正铁氧体。
图4为本发明的含铈磁性石榴石单晶的法拉第效应与普通YIG法拉第效应相比较的曲线图。该曲线示出了用本发明的含铈磁性石榴石单晶制造方法制备的直径为0.8mm的(Ce0.3Y2.7)Fe5O12单晶纤维的法拉第旋转角/cm的测量结果，采用的光波长为1.3微米。在与上述相同的条件下测量了作为比较实例的YIG单晶纤维的法拉第效应。
为了考察铈浓度与移动速度之间的关系，在与上述相同的条件下制备了直径为0.8mm但(CexY1-X)Fe5O12中Ce的浓度x却不同的纤维含铈磁性石榴石单晶。生长单晶的条件与上述的相同。所获结果示于表2。
表2
  Ce浓度x     0.1     0.5   1.0     1.5     2.0     2.5     3.0
移动的速度mm/h   2.0     ◎     ◎    ◎     ◎      ◎     ○     ×
  0.5     ◎     ◎    ◎     ◎      ◎     ○     ×
  1.0     ◎     ◎    ◎     ◎      ○     ×     -
  2.0     ◎     ◎    ◎     ○      ×     ×     -
  4.0     ◎     ◎    ◎     ×      ×     -     -
  8.0     ◎     ◎    ○     ×      -     -     -
  16.0     ○     ○    ×     -      -     -     -
  32.0     ×     ×    ×     -      -     -     -
◎：有法拉第效应的单晶
○：无法拉第效应的单晶
×：没有形成单晶
-：未作实验
在表2用◎标记的区域中，得到了(CexY1-x)Fe5O12单晶，并观察到了大的法拉第效应。而在用○标记的区域中，虽也得到了(CexY1-x)Fe5O12单晶，但没有观察到法拉第效应，并测量到了大的光吸收。由此可以认为，在该区域中Ce以四价离子而不是以三价离子形式存在。在用×标记的区域中，没有得到单晶，并且观察到了正铁氧体。
如上所述，按照本发明，利用激光汇聚单晶生长方法对生长条件进行控制从而可得具有大法拉第效应和恒定尺寸之大迄今为止尚无法制得的用铈替代的YIG单晶(含铈磁性石榴石单晶)。
在本发明中，在熔区与固体之间的固液界面处施加了陡而大的温度梯度以使预期的单晶在异相(即正铁氧体)沉积之前的短时间内沉积出来。也即，形成正铁氧体晶核并生长增大而沉积为异相。但是，在本发明中，由于单晶是在陡而大的温度梯度下生长的，所以在异相沉积之前即可沉积出预期的单晶。
因此，在本发明中，固液界面温度变化过程是重要的，而为了生长出预期的单晶，最好能改善固液界面处温度梯度的均匀性。在上述实例中，固液界面处温度梯度的均匀性随纤维直径的减小而改善。此外，固液界面处温度梯度的均匀性随着熔区移动速度的降低，由于热稳定状态的缘故而得以改善。
也就是说本发明的特征在于在固液界面处实现了陡而大的温度梯度，并且比较好地改善了固液界面处温度梯度的均匀性。当满足这些条件时，可以生长出纤维状、片状、薄膜状等任一形状的含铈磁性石榴石单晶。
除激光汇聚方法以外的任何其它加热方法，只要能够满足本发明的上述特征，都可以得到上述同样的效果。例如，只要满足上述条件，一种加热器方法或者，用射频感应加热贵金属坩埚以形成熔体，从该熔体中提拉出单晶并迅速冷却，也可达到同样的效果。
                                  实例
                                  实例1
制备了(Ce0.5GdxY2.5-x)(AlyFe5-y)O12多晶，其中Y位置由Gd替代，Fe位置由Al替代。利用图1所述单晶设备在上述同样的条件下制备出了具有直径为1mm的圆形截面而长度为30cm的纤维状单晶。所制得单晶的组份用(Ce0.5GdxY2.5-x)(AlyFe5-y)O12表示。所得结果示于表3。在标有◎的条件下，形成了单晶并且观察到了大的法拉第效应。
表3
  Cd浓度x    0.1    0.3     0.5     1.0    1.5    2.0    2.5
  Al浓度y     0.1     ◎    ◎     ◎     ◎     ◎     ◎     ◎
    0.2     ◎    ◎     ◎     ◎     ◎     ◎     ○
    0.4     ◎    ◎     ◎     ◎     ◎     ○     ○
    0.8     ◎    ◎     ◎     ◎     ○     ○     ×
    1.0     ◎    ◎     ◎     ◎     ○     ×     ×
    1.5     ◎    ◎     ◎     ○     ○     ×     ×
    2.0     ◎    ◎     ◎     ○     ○     ×     ×
    2.5     ○    ○     ○     ×     ×     ×     -
◎：有法拉第效应的单晶
○：无法拉第效应的单晶
×：没有形成单晶
-：未作实验
                          实例2
在与实例1同样的条件下制备出了具有直径为1mm的圆形截面而长度为30cm的纤维状单晶，其中Y位置由Pr，Nd，Pm，Sm，Eu，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Yb和Lu替代，而Fe位置由Al替代。最终所得单晶的组份分别用(Ce0.5PrxY2.5-x)(AlyFe5-y)O12、(Ce0.5NdxY2.5-x)(AlyFe5-y)O12、(Ce0.5PmxY2.5-x)(AlyFe5-y)O12、(Ce0.5SmxY2.5-)(AlyFe5-y)O12、(Ce0.5EuxY2.5-x)(AlyFe5-y)O12、(Ce0.5TbxY2.5-x)(AlyFe5-y)O12、(Ce0.5DyxY2.5-x)(AlyFe5-y)O12、(Ce0.5HoxY2.5-x)(AlyFe5-y)O12、(Ce0.5TmxY2.5-x)(AlyFe5-y)O12、(Ce0.5ErxY2.5-x)(AlyFe5-y)O12、(Ce0.5YbxY2.5-x)(AlyFe5-y)O12、和(Ce0.5GLuxY2.5-x)(AlyFe5-y)O12表示。
所得结果示于表4-15。在每张表中，在标有◎的条件下，都形成了单晶并且观察到了大的法拉第效应。
表4
    Pr浓度x     0.1     0.3     0.5     1.0     1.5     2.0     2.5
    Al浓度y     0.1     ◎     ◎     ◎     ◎     ◎     ◎     ◎
    0.2     ◎     ◎     ◎     ◎     ◎     ◎     ○
    0.4     ◎     ◎     ◎     ◎     ◎     ○     ○
    0.8     ◎     ◎     ◎     ◎     ○     ○     ×
    1.0     ◎     ◎     ◎     ◎     ○     ×     ×
    1.5     ◎     ◎     ◎     ○     ○     ×     ×
    2.0     ◎     ◎     ◎     ○     ○     ×     ×
    2.5     ○     ○     ○     ×     ×     ×     -
◎：有法拉第效应的单晶
○：无法拉第效应的单晶
×：没有形成单晶
-：未作实验
表5
  Nd浓度x    0.1    0.3    0.5    1.0    1.5    2.0    2.5
  Al浓度y     0.1     ◎     ◎     ◎     ◎     ◎    ◎     ◎
    0.2     ◎     ◎     ◎     ◎     ◎    ◎     ○
    0.4     ◎     ◎     ◎     ◎     ◎    ○     ○
    0.8     ◎     ◎     ◎     ◎     ○    ○    ×
    1.0     ◎     ◎     ◎     ◎     ○    ×    ×
    1.5     ◎     ◎     ◎     ○     ○    ×    ×
    2.0     ◎     ◎     ◎     ○     ○    ×    ×
    2.5     ○     ○     ○     ×     ×    ×    -
◎：有法拉第效应的单晶
○：无法拉第效应的单晶
×：没有形成单晶
-：未作实验
表6
  Pm浓度x    0.1    0.3    0.5    1.0    1.5    2.0    2.5
  Al浓度y     0.1     ◎     ◎     ◎     ◎     ◎    ◎    ◎
    0.2     ◎     ◎     ◎     ◎     ◎    ◎    ○
    0.4     ◎     ◎     ◎     ◎     ◎    ○    ○
    0.8     ◎     ◎     ◎     ◎     ○    ○    ×
    1.0     ◎     ◎     ◎     ◎     ○    ×    ×
    1.5     ◎     ◎     ◎     ○     ○    ×    ×
    2.0     ◎     ◎     ◎     ○     ○    ×    ×
    2.5     ○     ○     ○     ×     ×    ×     -
◎：有法拉第效应的单晶
○：无法拉第效应的单晶
×：没有形成单晶
-：未作实验
表7
  Sm浓度x    0.1   0.3    0.5    1.0    1.5    2.0    2.5
  Al浓度y     0.1    ◎    ◎    ◎     ◎     ◎     ◎     ◎
    0.2    ◎    ◎    ◎     ◎     ◎     ◎     ○
    0.4    ◎    ◎    ◎     ◎     ◎     ○     ○
    0.8    ◎    ◎    ◎     ◎     ○     ○     ×
    1.0    ◎    ◎    ◎     ◎     ○     ×     ×
    1.5    ◎    ◎    ◎     ○     ○     ×     ×
    2.0    ◎    ◎    ◎     ○     ○     ×     ×
    2.5    ○    ○    ○     ×     ×     ×     -
◎：有法拉第效应的单晶
○：无法拉第效应的单晶
×：没有形成单晶
-：未作实验
表8
  Eu浓度x     0.1     0.3     0.5     1.0     1.5     2.0    2.5
    Al浓度y     0.1     ◎     ◎     ◎     ◎     ◎     ◎    ◎
    0.2     ◎     ◎     ◎     ◎     ◎     ◎    ○
    0.4     ◎     ◎     ◎     ◎     ◎     ○    ○
    0.8     ◎     ◎     ◎     ◎     ○     ○    ×
    1.0     ◎     ◎     ◎     ◎     ○     ×    ×
    1.5     ◎     ◎     ◎     ○     ○     ×    ×
    2.0     ◎     ◎     ◎     ○     ○     ×    ×
    2.5     ○     ○     ○     ×     ×     ×     -
◎：有法拉第效应的单晶
○：无法拉第效应的单晶
×：没有形成单晶
-：未作实验
表9
  Tb浓度x    0.1    0.3    0.5    1.0    1.5    2.0    2.5
  Al浓度y     0.1     ◎     ◎     ◎     ◎     ◎     ◎    ◎
    0.2     ◎     ◎     ◎     ◎     ◎     ◎    ○
    0.4     ◎     ◎     ◎     ◎     ◎     ○    ○
    0.8     ◎     ◎     ◎     ◎     ○     ○    ×
    1.0     ◎     ◎     ◎     ◎     ○     ×    ×
    1.5     ◎     ◎     ◎     ○     ○     ×    ×
    2.0     ◎     ◎     ◎     ○     ○     ×    ×
    2.5     ○     ○     ○     ×     ×     ×    -
◎：有法拉第效应的单晶
○：无法拉第效应的单晶
×：没有形成单晶
-：未作实验
表10
  Dy浓度x    0.1    0.3    0.5    1.0    1.5    2.0    2.5
  Al浓度y     0.1     ◎     ◎     ◎     ◎     ◎    ◎    ◎
    0.2     ◎     ◎     ◎     ◎     ◎    ◎    ○
    0.4     ◎     ◎     ◎     ◎     ◎    ○    ○
    0.8     ◎     ◎     ◎     ◎     ○    ○    ×
    1.0     ◎     ◎     ◎     ◎     ○    ×    ×
    1.5     ◎     ◎     ◎     ○     ○    ×    ×
    2.0     ◎     ◎     ◎     ○     ○    ×    ×
    2.5     ○     ○     ○     ×     ×    ×    -
◎：有法拉第效应的单晶
○：无法拉第效应的单晶
×：没有形成单晶
-：未作实验
表11
  Ho浓度x    0.1    0.3    0.5    1.0    1.5    2.0    2.5
  Al浓度y     0.1    ◎    ◎    ◎    ◎    ◎     ◎    ◎
    0.2    ◎    ◎    ◎    ◎    ◎     ◎    ○
    0.4    ◎    ◎    ◎    ◎    ◎     ○    ○
    0.8    ◎    ◎    ◎    ◎    ○     ○    ×
    1.0    ◎    ◎    ◎    ◎    ○     ×    ×
    1.5    ◎    ◎    ◎    ○    ○     ×    ×
    2.0    ◎    ◎    ◎    ○    ○     ×    ×
    2.5    ○    ○    ○    ×    ×     ×     -
◎：有法拉第效应的单晶
○：无法拉第效应的单晶
×：没有形成单晶
-：未作实验
表12
  Er浓度x     0.1     0.3     0.5     1.0     1.5     2.0     2.5
    Al浓度y     0.1     ◎     ◎     ◎     ◎     ◎     ◎     ◎
    0.2     ◎     ◎     ◎     ◎     ◎     ◎     ○
    0.4     ◎     ◎     ◎     ◎     ◎     ○     ○
    0.8     ◎     ◎     ◎     ◎     ○     ○     ×
    1.0     ◎     ◎     ◎     ◎     ○     ×     ×
    1.5     ◎     ◎     ◎     ○     ○     ×     ×
    2.0     ◎     ◎     ◎     ○     ○     ×     ×
    2.5     ○     ○     ○     ×     ×     ×     -
◎：有法拉第效应的单晶
○：无法拉第效应的单晶
×：没有形成单晶
-：未作实验
表13
  Tm浓度x    0.1    0.3    0.5    1.0    1.5    2.0    2.5
  Al浓度y     0.1    ◎    ◎    ◎     ◎     ◎     ◎    ◎
    0.2    ◎    ◎    ◎     ◎     ◎     ◎    ○
    0.4    ◎    ◎    ◎     ◎     ◎     ○    ○
    0.8    ◎    ◎    ◎     ◎     ○     ○    ×
    1.0    ◎    ◎    ◎     ◎     ○     ×    ×
    1.5    ◎    ◎    ◎     ○     ○     ×    ×
    2.0    ◎    ◎    ◎     ○     ○     ×    ×
    2.5    ○    ○    ○     ×     ×     ×     -
◎：有法拉第效应的单晶
○：无法拉第效应的单晶
×：没有形成单晶
-：未作实验
表14
  Y浓度x     0.1     0.3     0.5     1.0     1.5     2.0     2.5
    Al浓度y     0.1     ◎     ◎     ◎     ◎     ◎     ◎     ◎
    0.2     ◎     ◎     ◎     ◎     ◎     ◎     ○
    0.4     ◎     ◎     ◎     ◎     ◎     ○     ○
    0.8     ◎     ◎     ◎     ◎     ○     ○     ×
1.0 ◎ ◎ ◎ ◎ ○ × ×
    1.5     ◎     ◎     ◎     ○     ○     ×     ×
    2.0     ◎     ◎     ◎     ○     ○     ×     ×
    2.5     ○     ○     ○     ×     ×     ×     -
◎：有法拉第效应的单晶
○：无法拉第效应的单晶
×：没有形成单晶
-：未作实验
表15
  Lu浓度x    0.1    0.3    0.5    1.0    1.5    2.0    2.5
  Al浓度y     0.1    ◎    ◎    ◎     ◎    ◎     ◎    ◎
    0.2    ◎    ◎    ◎     ◎    ◎     ◎    ○
    0.4    ◎    ◎    ◎     ◎    ◎     ○    ○
    0.8    ◎    ◎    ◎     ◎    ○     ○    ×
    1.0    ◎    ◎    ◎     ◎    ○     ×    ×
    1.5    ◎    ◎    ◎     ○    ○     ×    ×
    2.0    ◎    ◎    ◎     ○    ○     ×    ×
    2.5    ○    ○    ○     ×    ×     ×    -
◎：有法拉第效应的单晶
○：无法拉第效应的单晶
×：没有形成单晶
-：未作实验
对于实例1和2的组份，将钇全部用例如，用钐用以替换的磁性石榴石单晶显示出与上述同样的效果。
在与实例1和2同样的条件下制备出了含铈磁性石榴石单晶，其中用Al替代Fe的位置代之以由Ga。最终所得单晶的组份分别用(Ce0.5GdxY2.5-x)(GayFe5-y)O12、(Ce0.5PrxY2.5-x)(GayFe5-y)O12、(Ce0.5NdxY2.5-x)(GayFe5-y)O12、(Ce0.5PmxY2.5-x)(GayFe5-y)O12、(Ce0.5SmxY2.5-)(GayFe5-)O12、(Ce0.5EuxY2.5-x)(GayFe5-y)O12、(Ce0.5TbxY2.5-x)(GayFe5-y)O12、(Ce0.5DyxY2.5-)(GayFe5-)O12、(Ce0.5HoxY2.5-x)(GayFe5-y)O12、(Ce0.5ErxY2.5-x)(GayFe5-y)O12、(Ce0.5TmxY2.5-x)(GayFe5-y)O12(Ce0.5YbxY2.5-)(GayFe5-)O12、Ce0.5GLuxY2.5-x)(GayFe5-y)O12表示。
在这些单晶中，可以得到如表3-5所示的效果。
                            实例4
利用图1所示的设备制造出了宽为2mm、厚为0.8mm而长为20mm的片状含铈磁性石榴石单晶。单晶的组份与实例1-3中的相同。因此与纤维状单晶相同的方式获得了含铈磁性石榴石单晶片。
                            实例5
将50微米厚的含铈磁性石榴石多晶以浆料形状粘附着在2mm宽、0.5mm厚知50mm长的(111)GGG单晶衬底上，随后利用图1所示设备10进行单晶生长。结果在GGG衬底上得到了组份与实例1-4一样的含铈磁性石榴石单晶薄膜。在YIG单晶薄膜中，按照与表3-15相同的方式观察到了法拉第效应。
而且，如图6所示，将一电极附着在最终制得的YIG单晶薄膜上，并在1.9GHz下测量了滤波特性。在图6中，YIG单晶薄膜32形成于GGG衬底30上，并将信号输入转换器34a和信号输出转换能器34b制作在YIG单晶薄膜32上。结果如图7所示，获得了良好的滤波特性。
按照本发明，可以得到尺寸和质量足以满足作为隔离器的光通信和电子器件用材料求的Ce：YIG单晶(含铈磁性石榴石单晶)。本发明也可以提高材料的使用效率，减少制造时间，使之无需采用有毒的铅物质，并降低成本。

Claims (4)

1.一种含铈磁性石榴石单晶的制备方法，其特征在于包含下列步骤：
提供用化学式CexR3-xMyFe5-yO12(0＜x≤2和0＜y≤2)表示的含铈磁性石榴石多晶，其中R至少是Y和原子量介于59-71之间的稀土元素中的一种，M至少是Ga和Al中的一种；
通过利用光学加热器在含铈磁性石榴石多晶的固液界面处施加大于500℃/10mm的温度梯度熔化含铈磁性石榴石多晶，所述光学加热装置包括使激光束直接射在熔区内多晶加热部分的激光器和反射所发射光束从而使光束聚焦在加热部分的光热发生器和反射器；以及
固化被熔化的多晶以生长出含铈磁性石榴石单晶。
2.如权利要求1所述的含铈磁性石榴石单晶制备方法，其特征在于所述温度梯度如此之大以致于不会产生在含铈磁性石榴石固液之间达到平衡态时形成的正铁氧体结构。
3.如权利要求1所述的含铈磁性石榴石单晶制备方法，其特征在于进一步包括在熔化所述含铈磁性石榴石多晶之前使含铈磁性石榴石单晶的籽晶与所述含铈磁性石榴石多晶接触，其中在熔化步骤中形成了与所述籽晶或者生长在所述籽晶上的含铈磁性石榴石单晶接触的所述含铈磁性石榴石多晶熔区，并且通过使在所述熔区移动之前刚刚熔化的部分冷却完成固化步骤。
4.如权利要求1中所述的含铈磁性石榴石单晶制备方法，其特征在于所述含铈磁性石榴石多晶可以制备成棒状、薄片状和薄膜状这三种形状中的任意一种。
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