CN115261795B - 一种用于光学信息处理系统中的磁光结构及其制备方法、制备设备 - Google Patents

一种用于光学信息处理系统中的磁光结构及其制备方法、制备设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于光学信息处理系统中的磁光结构及其制备方法、制备设备。该磁光结构包括具有石榴石结构的介电材料制成的衬底；所述衬底上形成的磁光薄膜，所述磁光薄膜的磁化矢量位于所述磁光薄膜的平面中。本发明磁光结构的分辨率和灵敏度可以通过改变铁氧体‑石榴石衬底的晶轴取向进行调节，也可以通过含铋的镓铁氧体石榴石薄膜中的铋离子和镓离子的浓度来改变，本发明显著提高磁光结构的分辨率和灵敏度，灵敏度可提高2倍以上。

Description

一种用于光学信息处理系统中的磁光结构及其制备方法、制 备设备
技术领域
本发明涉及光学信息处理技术领域，具体涉及一种用于光学信息处理系统中的磁光结构及其制备方法、制备设备。
背景技术
目前常用的铁氧体-石榴石磁光结构，采用具有[111]晶向的石榴石衬底，然后淀积含铋的铁氧体-石榴石薄膜。在这种磁光薄膜结构中，磁化矢量垂直于磁性材料膜的平面，具有单轴磁化方向，即磁化强度M的矢量垂直于薄膜的平面。这种膜的特征在于“迷宫”结构。它是在没有垂直于薄膜平面的外部磁场H(out)的情况下产生的，或者如果这种磁场很小，则会出现这种情况。当足够水平的外部磁场H(out)施加到薄膜上时，其畴结构改变，大致代表来自相应源的磁通量的形状。使用含铋的铁氧体-石榴石薄膜对磁场的可视化就是基于这种现象。石榴石-铁氧体膜的成分中包含铋可改善其磁光性能。这样的膜的缺点包括相对较低的分辨率，其受到条纹区域的宽度的限制。可以通过增加膜的饱和磁化强度4πMs来减小条纹区域的宽度；但是在这种情况下，这种磁性薄膜对H(out)的敏感性大大降低，也可以通过减小膜厚度来增加饱和磁化强度4πMs。然而，在这种情况下，光偏振矢量的法拉第旋转动比例地减小，这使得在观察磁场时很可视化。在单轴含铋的铁氧-体石榴石薄膜中对于信噪比在45-50dB范围内的磁场源，分辨率不超过1.2m。
在用于磁性传感器，磁场换能器和其他设备以及光学信息处理系统中的常用铁氧体石榴石磁光结构中，需要解决灵敏度低与性能不稳定等问题。
发明内容
基于背景技术存在的问题，本发明提供了一种用于光学信息处理系统中的磁光结构，克服现有技术中已知类似结构的缺点，提高磁光结构的分辨率和灵敏度，确保在施加脉冲时获得较高的偏振光法拉第旋转系数值和高速外部磁场。
本发明通过以下技术方案实施：
一种用于光学信息处理系统中的磁光结构，包含：
具有石榴石结构的介电材料制成的衬底；
所述衬底上形成的磁光薄膜，所述磁光薄膜的磁化矢量位于所述磁光薄膜的平面中。
在一些实施方式中，所述衬底的晶轴[100]相对于垂直于所述磁光薄膜的平面的垂直线偏移的角度不超过与结晶轴的偏差[210]，优选为0°-5°或0°-4°。
在一些实施方式中，所述衬底为单晶钆镓石榴石。
在一些实施方式中，所述磁光薄膜为掺杂有稀土元素的含铋的镓铁氧体-石榴石，所述磁光薄膜包括交替叠着的稀土金属元素层和过渡金属元素层；
优选地，所述磁光薄膜包括含有6-38％(原子百分比)的稀土金属元素和余量的过渡金属元素。
优选地，所述磁光薄膜的晶体结构的每一个分子式单位中包含0.75至0.95个铋离子和1.05至1.25个镓离子。
在一些实施方式中，，所述稀土元素为铽(Tb)、钇(Gd)、镝(Dy)、铥(Tm)和镥(Lu)元素中的至少一种。
在一些实施方式中，所述过渡金属元素为铁(Fe)、钴(Co)或镍(Ni)中的至少一种。
在一些实施方式中，每个所述稀土金属元素层的厚度范围大于但小于每个所述过渡金属元素层的厚度范围大于/>但小于/>所述磁光薄膜的厚度范围为/>至5微米(μm)；
一种用于光学信息处理系统中的磁光结构的制备方法，包括石英衬底上形成含有过渡元素和稀土元素的磁光薄膜的步骤；
优选地，衬底为石英晶片，所述过渡元素的生长速率为所述稀土金属的生长速率为/>
在一些实施方式中，还包括在不同的磁场强度下与偏离角度下预估法拉第旋转系数θF的步骤；
优选地，法拉第旋转系数θF在不同的磁场强度下随着偏离角度在外加磁场强度(H＝20奥)下的经验公式：
法拉第旋转系数θF＝0.109×偏转角(度)+0.145。
一种用于光学信息处理系统中的磁光结构的制备设备，包括：
第一磁控溅射靶，优选为金属靶，进一步优选为铁(Fe)金属靶或镍(Ni)金属靶；
第二磁控溅射靶，优选为稀土金属靶，进一步优选为稀土金属铽(Tb)靶或镝(Dy):铥(Tm):镥(Lu)成分表比＝50:30:20的混合稀土金属靶；
第一射频与磁控溅射源，用于控制第一磁控溅射靶的功率以及磁控磁场的强度；
第二射频与磁控溅射源，用于控制第二磁控溅射靶的功率以及磁控磁场的强度；
可旋转的样品生长底座，优选旋转速率范围为每分钟0.5–100转(RPM)；
气体源与控制系统，主要气体为氩(Ar)气；
主腔体。
采用多靶磁控射频溅射装置可以根据实际应用的需要决定磁光薄膜的生长时间，用小角度X射线衍射分析测定所生长磁光薄膜的层间结构，调整工艺条件，如射频功率，氩流量，衬底底座的旋转速度等来改变磁光薄膜的层间结构与生长速率。
本发明的有益效果：
(1)本发明磁光结构的分辨率和灵敏度可以通过改变铁氧体-石榴石衬底的晶轴取向进行调节，也可以通过含铋的镓铁氧体石榴石薄膜中的铋离子和镓离子的浓度来改变，本发明显著提高磁光结构的分辨率和灵敏度，灵敏度可提高2倍以上。
(2)本发明通过在含铋的镓铁氧体石榴石薄膜中添加稀土元素增加磁光结构的性能。
(3)本发明磁光结构能够确保在施加外来脉冲时获得较高的偏振光法拉第旋转系数值。
(4)本发明中使用多靶磁控射频溅射装置可以在多种衬底上形成磁性介质层并制造多层磁光结构，通过改变磁控溅射靶-1与磁控溅射靶-2与衬底，即可获得不同特性的磁光结构。还可以根据实际应用的需要决定磁光薄膜的生长时间，用小角度X射线衍射分析测定所生长磁光薄膜的层间结构，调整工艺条件，如射频功率，氩流量，衬底底座的旋转速度等来改变磁光薄膜的层间结构与生长速率，从而得到满足实际应用条件的磁光器件。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步解释，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为现有技术磁光薄膜结构中“迷宫”畴结构的示意图；
图2为已知的磁光薄膜结构的示意图；
图3为本发明磁光薄膜结构的示意图；
图4为法拉第旋转系数θF在不同的磁场强度下与偏离角度的关系；
图5磁光薄膜多靶磁控射频溅射装置示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详述，但本发明的保护范围并不仅限于以下实施例。
本发明属于在光学信息处理系统中，在磁场的传感器和换能器中使用的磁光结构。
本发明的实质：在磁光结构中，包含单晶衬底1镓铁氧体-石榴石，在含铋的镓铁氧体-石榴石膜上施加了位于膜平面内的磁化矢量，在膜的平面中，衬底单晶的结晶轴[100]相对于垂直于衬底的平面的垂直线偏移了一个角度，不超过与结晶轴的偏差[210]，最好在0°至5°(包括0°至5°)范围内，并且含铋的铁氧体-石榴石配以稀土元素，铽(Tb)，钇(Gd)，镝(Dy)，铥(Tm)，镥(Lu)，等，或它们的组合。
本发明旨在用于光学信息处理系统中的磁光结构，并且可以用于出于类似目的创建传感器，磁场换能器和其他设备。
图1展示了磁光薄膜结构中“迷宫”畴结构，其磁化矢量垂直于磁性材料膜的平面，具有单轴磁化方向，即磁化强度M的矢量垂直于薄膜的平面。这种膜的特征在于“迷宫”结构，如图1所示。它是在没有垂直于薄膜平面的外部磁场H(out)的情况下产生的，或者如果这种磁场很小，则会出现这种情况。当足够水平的外部磁场H(out)施加到薄膜上时，其畴结构改变，大致代表来自相应源的磁通量的形状。使用含铋的铁氧体-石榴石薄膜对磁场的可视化就是基于这种现象。石榴石-铁氧体膜的成分中包含铋可改善其磁光性能。这样的膜的缺点包括相对较低的分辨率，其受到条纹区域的宽度的限制。可以通过增加膜的饱和磁化强度4πMs来减小条纹区域的宽度；但是在这种情况下，这种磁性薄膜对H(out)的敏感性大大降低，也可以通过减小膜厚度来增加饱和磁化强度4πMs。然而，在这种情况下，光偏振矢量的法拉第旋转动比例地减小，这使得在观察磁场时很可视化。在单轴含铋的铁氧-体石榴石薄膜中对于信噪比在45-50dB范围内的磁场源，分辨率不超过1.2μm。
本发明目的是提供一种主要用作磁场传感器的磁光结构，克服了现有技术中已知类似结构的缺点。在这种情况下获得的技术成果是提高分辨率和灵敏度，确保在施加脉冲时获得较高的偏振光法拉第旋转值和高速外部磁场。
该结果是通过以下事实而实现的：在磁光薄膜结构中，该介质包含具有石榴石结构的介电材料制成的衬底，在该衬底上的磁性材料膜上的磁化矢量位于该膜平面中应用，并在选择含铋的镓铁氧体-石榴石作为薄膜的磁性材料。其特征在于，衬底由钆-镓石榴石的单晶制成，其结晶轴[100]相对于垂直于平面的晶体位移。因此，由含铋的铁氧体-石榴石制成的薄膜的平面的角度A不超过与结晶轴方向的偏差[210]，并且含铋的铁氧体-石榴石掺有稀土元素。在这种情况下，单晶衬底的结晶轴[100]与垂直于带有含铋铁氧体-石榴石薄膜的衬底平面的垂直方向之间的夹角A，是在单晶衬底的结晶轴[210]的方向上测量的，最好在0<A≤4o范围内选择。此外，选自铽(Tb)，钇(Gd)，镝(Dy)，铥(Tm)，镥(Lu)，等稀土元素和它们的组合可以被选择作为掺杂稀土元素。掺杂了铽(Tb)，钇(Gd)，镝(Dy)，铥(Tm)，镥(Lu)，等，及其任何组合的稀土元素的含铋的镓铁氧体石榴石薄膜的磁性材料在所述材料的晶体结构的每一个分子式单位中包含0.75至0.95个铋离子和1.05至1.25个镓离子。
更重要的是，采用本发明的方法可以制造一种具有高单轴磁各向异性、高磁化强度和高矫顽力的磁光传感与记录器件，包括衬底与在所述衬底上形成的磁性层，所述磁性层由多层稀土金属元素层，如稀土金属铽(Tb)，钇(Gd)，镝(Dy)，铥(Tm)，镥(Lu)，等，及其任何组合的稀土元素中的一种或多种以及由过渡金属铁(Fe)、钴(Co)或镍(Ni)层交替叠置的薄膜层组成，采用薄膜生长的方法依次淀积稀土金属元素层与过渡金属元素层，每个所述稀土金属元素层的厚度范围大于但小于/>每个所述过渡金属元素层的厚度范围大于/>但小于/>并且所述磁性层最终由具有含有6至38原子百分比的稀土金属元素和余量(余下原子百分比)的过渡金属元素的薄膜组成。
各层稀土元素的种类与比例由磁光传感器件以及记录器件的性能要求决定。
本发明的衬底取向和施加到其上的层的组成-磁性材料薄膜结构的特征为区域各向异性磁场HА，饱和磁化强度4πMs，法拉第旋转系数θF和磁品质因数Q＝2HA/4πMs提供了最佳参数。
图3为本发明一种实施方式的磁光薄膜结构的示意图，图中展示出了晶轴的取向。
本发明研究了改变各向异性磁场HА上的衬底的取向对灵敏度θF/H⊥out的影响，发现衬底的取向如图3所示。当朝向结晶轴[210]的方向时，垂直于具有沉积膜的衬底平面的垂直线与结晶轴[100]之间的夹角A，且最高为4°，根据灵敏度θF/H⊥out给出的最佳结果。随着衬底的取向角A从0°增加到4°包括(4°)在内，各向异性磁场HА逐渐减小，而灵敏度θF/H⊥out则急剧增大。随着衬底取向的进一步偏差超过4°，铁氧体-石榴石膜的上层将磁化方向更改为垂直于薄膜平面。特别是当与[100]取向的偏差等于6°时，外延单晶薄膜的整个厚度都被单轴磁化，并且出现了“迷宫”畴结构如图1所示，就像传统的[111]取向的石榴石铁膜一样。
含铋的镓铁氧体-石榴石薄膜的磁化矢量MS的取向角从垂直方向到薄膜的平面中的位置，即垂直于膜的位置的角。在磁化强度矢量M的方向上，将图1所示的方向调整为图2所示的方向，还取决于单晶层组成中铋和镓离子的含量以及膜生长的条件以及生长或沉积的方法。当镓含量低于单晶结构的每个分子式单位的1.1个离子时，饱和磁化强度变大(4πMs＞200G)。在这种情况下，薄膜中的品质因数Q减小(Q因子<1)，并且灵敏度急剧下降，并且需要较大的垂直外加磁场H⊥out值才能将MS向量从[100]方向偏转。当每个分子式单位(4πMs＝70G)中镓的引入量大于1.12离子时，磁品质因数Q大于1，MS矢量处于垂直于膜平面的位置(“迷宫”畴结构)。
铋含量的限制与对法拉第系数的较高值的要求有关，并由HА和4πMs的值确定。每公式单位小于0.8离子的铋含量的膜具有小θF值.薄膜的这一缺点与晶格中的铋含量直接相关。但是当铋的含量大于每分子式单位0.85个离子时，薄膜的晶格参数θF会变得大于钆镓石榴石(GGG)衬底的晶格参数，这会导致沿晶轴[100]确定的平面产生很大的应力各向异性，并且薄膜的灵敏度降低。在这种情况下，磁光品质因数θF/α减小，其中α是光吸收系数。
具体实现的例子：
实施例1
根据本发明制造了一种磁光结构，其中包含用石榴石结构的介电材料制成的衬底，在该衬底上生长了成分为RE0.7-5.3Bi0.94Fe4.72Ga2.33O14的外延薄膜，其中稀土元素RE可以有多种选择，如铽，钇，镝等。
通过液相外延在单晶钆镓石榴石(GGG)衬底上生长薄膜。由上述确定的衬底的取向相对于结晶轴[100]的偏转角在0°至6°的范围内变化，然后获得具有取向[210]的衬底。
单晶膜以下比例的熔体成分生长：
R1＝RE/Fe＝36.3；
(注：这里稀土元素RE可以用铽，钇，镝，铥和镥等稀土元素中的一种或多种组合而成)
R2＝Fe/Ga＝7.37；
R3＝PbO/Bi2O3＝1.2；
R4＝0.087；
R5＝PbO/B2O3＝5.28；
生长温度750℃；
基板转速150转；
膜的最终厚度为2.5微米(μm)。
实验数据表明，沿着薄膜平面的磁化矢量M的位置一直保持到垂直于衬底平面相对于结晶轴[100]的偏离角的值，在等于6°的该角度的值处，从膜的开放表面开始出现子层，该子层具有垂直于膜的平面的磁化矢量M。随着该角度的进一步增大和到[210]轴的过渡，薄膜在整个厚度范围内的矢量M均垂直于薄膜平面。
由图4可见，法拉第旋转系数θF在不同的磁场强度下随着偏离角度的增大而显著增加。
由图4可以推导得出法拉第旋转系数θF在不同的磁场强度下随着偏离角度在外加磁场强度(H＝20奥)下的经验公式：
θF＝0.109Xγ+0.145
其中，θF为法拉第旋转系数，单位为度/微米，γ为相对垂直于衬底平面的方向偏移角度A，单位为度。
实施例2
通过使用一种多靶磁控射频溅射装置在石英衬底上形成磁性介质层来制造多层磁光结构。
多靶磁控射频溅射装置有以下主要部分组成：
1.第一磁控溅射靶，通常为过渡金属靶。当外加直流偏压时，为负电位。可以根据磁光薄膜性能的需要增加过渡金属磁控溅射靶。
2.第二磁控溅射靶，通常为稀土金属靶，稀土金属靶可以由多种稀土金属按比例配成，也可以根据磁光薄膜性能的需要增加过渡金属磁控溅射靶。
3.第一射频与磁控溅射源，用于控制第一磁控溅射靶，即金属靶的射频频率，功率以及磁控磁场的强度。
4.第二射频与磁控溅射源，用于控制第二磁控溅射靶，即稀土金属靶的射频频率，功率以及磁控磁场的强度。
5.可旋转的样品生长底座(当外加直流偏压时，为正电位)，旋转速率范围为每分钟0.5–100转(RPM)。
6.气体源与控制系统，主要气体为氩(Ar)气。
7.主腔体。
具体实施方法如下：
一个实施例：
第一磁控溅射靶为过渡金属元素靶，采用铁(Fe)金属靶，第二磁控溅射靶为稀土金属靶，采用铽(Tb)靶，衬底为石英晶片，射频频率为13.6兆赫兹(MHz)，稀土金属铽(Tb)的溅射功率为100瓦(W)，铁(Fe)金属的溅射功率为500瓦(W)，氩(Ar)流量为150毫升/分(SCCM)，样品生长底座的旋转速率为每分钟10转。在这样的工艺条件下，铁(Fe)金属的生长速率为稀土金属铽(Tb)的生长速率为靶/>根据实际应用的需要决定磁光薄膜的生长时间，用小角度X射线衍射分析测定所生长磁光薄膜的层间结构，调整工艺条件，如射频功率，氩(Ar)流量，衬底底座的旋转速度等来改变磁光薄膜的层间结构与生长速率，可获得厚度为/>至5微米(μm)的多层磁光结构。
另一个实施例：
第一磁控溅射靶为过渡金属元素靶，采用镍(Ni)金属靶，第二磁控溅射靶为混合稀土金属靶，采用镝(Dy):铥(Tm):镥(Lu)成分表比＝50:30:20,衬底为石英晶片，射频频率为13.6兆赫兹(MHz)，混合稀土金属的溅射功率为200瓦(W)，过渡金属元素镍(Ni)的溅射功率为1000瓦(W)，氩(Ar)流量为120毫升/分(SCCM)，样品生长底座的旋转速率为每分钟15转。在这样的工艺条件下，镍(Ni)金属的生长速率为混合稀土金属的生长速率为/>根据实际应用的需要决定磁光薄膜的生长时间，用小角度X射线衍射分析测定所生长磁光薄膜的层间结构，调整工艺条件，如射频功率，氩(Ar)流量，衬底底座的旋转速度等来改变磁光薄膜的层间结构与生长速率，可获得厚度为/> 至5微米(μm)的多层磁光结构。
最后应说明的是：以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，并不用以限制本发明创造，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (15)

1.一种用于光学信息处理系统中的磁光结构，其特征在于，包含：
具有石榴石结构的介电材料制成的衬底；
所述衬底上形成的磁光薄膜，所述磁光薄膜的磁化矢量位于所述磁光薄膜的平面中；
所述衬底的晶轴[100]相对于垂直于所述磁光薄膜的平面的垂直线偏移的角度不超过与结晶轴[210]的偏差；
所述磁光薄膜为掺杂有稀土元素的含铋的镓铁氧体-石榴石，所述稀土元素为铽(Tb)、钇(Gd)、镝(Dy)、铥(Tm)和镥(Lu)元素中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的用于光学信息处理系统中的磁光结构，所述衬底的晶轴[100]相对于垂直于所述磁光薄膜的平面的垂直线偏移的角度不超过0°-5°。
3.根据权利要求1或2所述的用于光学信息处理系统中的磁光结构，其特征在于，所述衬底为单晶钆镓石榴石。
4.根据权利要求1或2所述的用于光学信息处理系统中的磁光结构，其特征在于，所述磁光薄膜包括交替叠着的稀土金属元素层和过渡金属元素层。
5.根据权利要求4所述的用于光学信息处理系统中的磁光结构，其特征在于，以原子百分比计，所述磁光薄膜包括含有6-38％的稀土金属元素和余量的过渡金属元素。
6.根据权利要求4所述的用于光学信息处理系统中的磁光结构，其特征在于，所述磁光薄膜的晶体结构的每一个分子式单位中包含0.75至0.95个铋离子和1.05至1.25个镓离子。
7.根据权利要求4所述的用于光学信息处理系统中的磁光结构，其特征在于，所述过渡金属元素为铁(Fe)、钴(Co)或镍(Ni)中的至少一种。
8.根据权利要求4所述的用于光学信息处理系统中的磁光结构，其特征在于，每个所述稀土金属元素层的厚度范围大于但小于/>每个所述过渡金属元素层的厚度范围大于/>但小于/>所述磁光薄膜的厚度范围为/>至5微米(μm)。
9.一种根据权利要求1-8任一所述的用于光学信息处理系统中的磁光结构的制备方法，其特征在于，包括石英基材上形成含有过渡元素和稀土元素的磁光薄膜的步骤。
10.根据权利要求9所述的用于光学信息处理系统中的磁光结构的制备方法，其特征在于，所述石英基材为石英晶片，所述过渡元素的生长速率为 所述稀土金属的生长速率为/>
11.根据权利要求9或10所述的用于光学信息处理系统中的磁光结构的制备方法，其特征在于，还包括在不同的磁场强度下与偏离角度下预估法拉第旋转系数θF的步骤。
12.根据权利要求9或10所述的用于光学信息处理系统中的磁光结构的制备方法，其特征在于，法拉第旋转系数θF在不同的磁场强度下随着偏离角度在外加磁场强度H＝20奥下的经验公式：
法拉第旋转系数θF＝0.109×偏转角+0.145，所述偏转角的单位为度。
13.根据权利要求9或10所述的用于光学信息处理系统中的磁光结构的制备方法，其特征在于，制备过程中采用的制备设备包括：
第一磁控溅射靶；
第二磁控溅射靶；
第一射频与磁控溅射源，用于控制第一磁控溅射靶的功率以及磁控磁场的强度；
第二射频与磁控溅射源，用于控制第二磁控溅射靶的功率以及磁控磁场的强度；
可旋转的样品生长底座；
气体源与控制系统，主要气体为氩(Ar)气；
主腔体。
14.根据权利要求13所述的用于光学信息处理系统中的磁光结构的制备方法，其特征在于，所述第一磁控溅射靶为金属靶；
所述第二磁控溅射靶为稀土金属靶；
所述可旋转的样品生长底座的旋转速率范围为每分钟0.5–100转(RPM)。
15.根据权利要求13所述的用于光学信息处理系统中的磁光结构的制备方法，其特征在于，所述第一磁控溅射靶为铁(Fe)金属靶或镍(Ni)金属靶；
所述第二磁控溅射靶为稀土金属铽(Tb)靶或镝(Dy):铥(Tm):镥(Lu)成分表比＝50:30:20的混合稀土金属靶。
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