CN117265662A - 适用于1310nm波段的具强磁光效应、高居里温度、高含铋掺钕稀土铁石榴石晶体 - Google Patents
适用于1310nm波段的具强磁光效应、高居里温度、高含铋掺钕稀土铁石榴石晶体 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117265662A CN117265662A CN202311244280.6A CN202311244280A CN117265662A CN 117265662 A CN117265662 A CN 117265662A CN 202311244280 A CN202311244280 A CN 202311244280A CN 117265662 A CN117265662 A CN 117265662A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- crystal
- rare earth
- magneto
- optical
- bismuth
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000013078 crystal Substances 0.000 title claims abstract description 185
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 114
- 239000002223 garnet Substances 0.000 title claims abstract description 39
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 28
- 150000002910 rare earth metals Chemical class 0.000 title claims abstract description 24
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 23
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 21
- JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N bismuth atom Chemical compound [Bi] JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 21
- 230000000694 effects Effects 0.000 title claims abstract description 20
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 33
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 26
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims description 30
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 28
- 239000011812 mixed powder Substances 0.000 claims description 19
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 13
- 229910015902 Bi 2 O 3 Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 8
- 229910005191 Ga 2 O 3 Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 7
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 claims description 7
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 5
- 230000015654 memory Effects 0.000 claims description 5
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 5
- 229910052779 Neodymium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052693 Europium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052769 Ytterbium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims description 2
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 2
- 229910001404 rare earth metal oxide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000012071 phase Substances 0.000 abstract description 25
- 238000004943 liquid phase epitaxy Methods 0.000 abstract description 14
- 238000007716 flux method Methods 0.000 abstract description 3
- 238000010348 incorporation Methods 0.000 abstract description 3
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 13
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 12
- 239000010408 film Substances 0.000 description 8
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 7
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 7
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 7
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 6
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 6
- 229910017493 Nd 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 5
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 5
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 5
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 5
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 5
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 5
- 238000000411 transmission spectrum Methods 0.000 description 5
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 4
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 3
- 229940079593 drug Drugs 0.000 description 3
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 2
- 239000011162 core material Substances 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- CCRAOWWOICDIGI-UHFFFAOYSA-N [Zr].[Ca].[Mg] Chemical compound [Zr].[Ca].[Mg] CCRAOWWOICDIGI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000012790 confirmation Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- ZPDRQAVGXHVGTB-UHFFFAOYSA-N gallium;gadolinium(3+);oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Ga+3].[Gd+3] ZPDRQAVGXHVGTB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 238000009396 hybridization Methods 0.000 description 1
- 230000008676 import Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 1
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 1
- -1 lanthanide rare earth ions Chemical class 0.000 description 1
- 229910052747 lanthanoid Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 1
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 1
- 238000000634 powder X-ray diffraction Methods 0.000 description 1
- 238000004886 process control Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
- C30B29/16—Oxides
- C30B29/22—Complex oxides
- C30B29/28—Complex oxides with formula A3Me5O12 wherein A is a rare earth metal and Me is Fe, Ga, Sc, Cr, Co or Al, e.g. garnets
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B11/00—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/09—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on magneto-optical elements, e.g. exhibiting Faraday effect
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/09—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on magneto-optical elements, e.g. exhibiting Faraday effect
- G02F1/093—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on magneto-optical elements, e.g. exhibiting Faraday effect used as non-reciprocal devices, e.g. optical isolators, circulators
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11C—STATIC STORES
- G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
- G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Nonlinear Science (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
本发明涉及一种适用于1310 nm波段的具强磁光效应、高居里温度、高含铋掺钕稀土铁石榴石晶体。该材料属于立方相晶系，Iad空间群。助熔剂法生长块状稀土铁石榴石单晶具有生长方法简单、成本低、单晶质量高的优点，然而该方法生长的Bi:RIG晶体中Bi3+含量较液相外延（LPE）法生长的单晶薄膜低，导致比法拉第旋转角偏小。为此，本发明从晶体结构设计入手，在石榴石晶体结构中的十二面体格位引入大离子半径的Nd3+，使该格位更易于Bi3+掺入。在此基础上，采用顶部籽晶法成功生长出高质量、高铋含量的NdxBiy(HoEu)3‑x‑yFe5O12晶体。
Description
技术领域
本发明属于磁光晶体技术领域，具体涉及一种适用于1310 nm波段的具强磁光效应、高居里温度、高含铋掺钕稀土铁石榴石晶体及其高质量单晶制备方法和应用。
背景技术
稀土铁石榴石材料具有法拉第旋转角较大，光吸收系数较小，磁光优值高等优点，是光隔离器、磁光存储器、磁光调制器等多种非互易磁光器件的核心材料。我国磁光器件的产能和用量世界第一，但核心磁光材料完全依赖进口，高品质磁光材料制备是急需解决的“卡脖子”难题。
掺铋稀土铁石榴石(Bi:RIG)单晶薄膜因其在近红外具有强磁光效应而被广泛应用于1310 nm光纤通讯的光隔离器中。在Bi:RIG晶体材料中，已知Bi3+对晶体的磁光性能贡献较大。目前主要采用液相外延(LPE)法和助熔剂生长技术来制备Bi:RIG。LPE法由于需要采用昂贵钙镁锆掺杂钆镓石榴石晶体(CaMgZrGGG)作为外延基底，使其生长成本较高。且LPE法处于非平衡态下生长，对晶体生长过程的工艺控制要求高，且较难生长出质量高、厚度大的单晶，所生长晶体厚度一般小于<1mm。助熔剂法生长晶体的装置简单、成本低，是在亚平衡态下进行，容易获得高质量单晶。但在无铅的Bi2O3+ Fe2O3助熔剂生长Bi:RIG晶体时，溶质的溶解度低，且Bi3+半径较大而较难掺入晶体，使得采用该种方法生长的Bi:RIG晶体中的Bi含量明显低于商用LPE法生长的Bi:RIG单晶薄膜中的Bi含量，这导致其在1310 nm处的比法拉第旋转角(θ F)偏小。
本发明研究发现，在石榴石的十二面体位置引入大离子半径的镧系稀土离子（特别是La3+、Nd3+、Ce3+），会引起晶格微观结构的扭曲和膨胀，从而有助于提高Bi3+在晶体中的掺杂量，增强晶体的磁光性能。Nd具有较低的5d能级，与Fe3+的3d轨道杂化，可增大跃迁几率，也有利于提升磁光效应。Nd3+在1310 nm处的吸收系数小，掺入Nd3+不会增加插入损耗。此外，晶体中同时掺杂Ho3+和Eu3+可减小温度系数，Ga3+的掺杂可以用来调控晶体的饱和磁化强度。为此，本发明从晶体结构设计入手，在石榴石晶体结构中的十二面体格位引入大离子半径的Nd3+，使该格位更易于Bi3+掺入。在此基础上，采用顶部籽晶法成功生长出高质量、高铋含量的NdxBiy(HoEu)3-x-yFe5O12晶体。
发明内容
本发明涉及一种适用于1310 nm波段具强磁光效应、高居里温度、高含铋掺钕稀土铁石榴石（化学式为NdxBiyR3-x-yFe5O12, R为稀土元素）晶体材料及其高质量单晶制备方法和应用。该材料属于立方相晶系，Iad空间群。助熔剂法生长块状稀土铁石榴石单晶具有生长方法简单、成本低、单晶质量高的优点，然而该方法生长的Bi:RIG晶体中Bi3+的含量较液相外延（LPE）法生长的单晶薄膜低，导致比法拉第旋转角偏小。为此，本发明从晶体结构设计入手，在石榴石晶体结构中的十二面体格位引入大离子半径的Nd3+，使该格位更易于Bi3+掺入。在此基础上，采用顶部籽晶法成功生长出高质量、高铋含量的NdxBiy(HoEu)3-x-yFe5O12晶体。NdxBiy(HoEu)3-x-yFe5O12晶体的居里温度和比法拉第旋转角均与Bi3+和Nd3+的含量成正相关,其最高的居里温度达298.5℃，是LPE法生长的商用Bi:(HoEu)IG薄膜的1.2倍。其中(Nd0.5Bi1.2Gd0.4Ho0.8Eu0.1)(Fe4.7Ga0.3)O12晶体在1310 nm处的具有高的比法拉第旋转角和透过率，分别为-1320 deg. cm-1和70.5%，磁光性能明显优于未掺Nd3+的(Bi0.8Ho1.2Eu0.8Gd0.2)(Fe4.9Ga0.1)O12(-665 deg. cm-1)和LPE法生长的具同等Bi3+含量的商用Bi:(HoEu)IG (1240deg. cm-1)。此外，(Nd0.5Bi1.2Gd0.4Ho0.8Eu0.1)(Fe4.7Ga0.3)O12晶体的饱和外加磁场为60 mT，小于商用Bi:(HoEu)IG的80 mT。鉴于NdxBiyR3-x-yFe5O12在磁光性能、居里温度、高透过性和生产成本上具有的优势，该晶体材料有望用作1310 nm波段的高性能光隔离器、光非互易元件、磁光存储器及磁光调制器等磁光器件，在光纤通信与集成光学器件、磁光显示、激光雷达等领域中获得实际应用。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种适用于1310 nm波段的具强磁光效应、高居里温度、高含铋掺钕稀土铁石榴石晶体材料及其高质量单晶制备方法和应用。所述晶体化学式为NdxBiyR3-x-yFe5O12，式中R为稀土元素Yb、Ho、Eu中的一种或几种，0.3≤x≤0.7，0.6≤y≤1.2；属于立方晶系，空间群为Iad，其中，Nd、Bi和R进入十二面体格位。
优选的，所述晶体的化学式为(Nd0.5Bi1.2Gd0.4Ho0.8Eu0.1)(Fe4.7Ga0.3)O12，该晶体材料属于立方晶系，空间群为Iad，晶胞常数a=b=c=12.5305 Å，晶胞体积为1967.46 Å3，Z=8；其中，Nd、Bi、Ho、Eu进入十二面体格位。
一种适用于1310 nm波段的具强磁光效应、高居里温度、高含铋掺钕稀土铁石榴石晶体材料及其高质量单晶制备方法和应用，包括如下具体步骤：
(1)原料制备：按照比例准确称量Nd2O3、Bi2O3、Fe2O3、Ga2O3和稀土氧化物粉末原料，经过充分研磨，得到混合粉末原料；将混合粉末原料装入铂金坩埚，放入熔盐炉中；
(2)晶体的生长：采用顶部籽晶法进行晶体生长。将物料充分熔化，然后以0.3℃.h-1的速率让熔液缓慢冷却并在GGG籽晶上析出石榴石单晶，获得晶体。
进一步的，采用Bi2O3+ Fe2O3自助熔剂体系，无铅、环保，同时使晶体生长的温度有效降低，且不增加其他杂质。
进一步的，分子式中Gd元素是因采用GGG为籽晶而带入，其在这个体系中的引入量可通过质量比GGG: 混合原料=0.4: 99.6来确定。
进一步的，该高含铋掺钕稀土铁石榴石晶体在用作1310 nm波段高性能光隔离器、光非互易元件、磁光存储器及磁光调制器，以及在光纤通信与集成光学器件、磁光显示、激光雷达领域中的应用。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明的高含铋掺钕稀土铁石榴石晶体中Bi3+随着Nd3+掺杂浓度的增加而增加，Bi3+含量可达到使用LPE法所生长单晶薄膜的同等水平，并可通过调整晶体的原料比例和生长工艺，进一步提高晶体中Nd3+和Bi3+含量。
(2)本发明的(Nd0.7Bi0.7Gd0.1Yb1.5)(Fe4.6Ga0.4)O12晶体在1310 nm处的比法拉第旋转角为-1203 deg.cm-1，与LPE法生长Bi3+含量为1.2的商用Bi:(HoEu)IG相当，说明掺Nd3+能有效提高晶体的磁光效应。
(2)本发明的(Nd0.5Bi1.2Gd0.4Ho0.8Eu0.1)(Fe4.7Ga0.3)O12晶体在1310 nm处的比法拉第旋转角是具同等Bi3+含量商用Bi:(HoEu)IG的1.1倍，且饱和外加磁场为60 mT,小于商用Bi:(HoEu)IG的80 mT，有利于器件的小型化与集成化。
(3)本发明的(Nd0.5Bi1.2Gd0.4Ho0.8Eu0.1)(Fe4.7Ga0.3)O12晶体的居里温度是商用Bi:(HoEu)IG的1.2倍；且在1310nm波段具有70.5%的透过率，高于商用Bi:(HoEu)IG，接近理论透过率。
(4)本发明的制备方法可制备厘米级、高质量单晶。该生长方法是在亚平衡态下进行晶体生长，晶体质量高，所需生长装置简单且不需要昂贵的基片，有利于降低晶体制备的成本。
(5)所制备的高含铋掺钕稀土铁石榴石晶体经切割、抛光、镀膜后可用作1310 nm波段高性能光隔离器、光非互易元件、磁光存储器及磁光调制器等磁光器件，在光纤通信与集成光学器件、磁光显示、激光雷达等领域中的应用。
附图说明
图1为NdxBiyR3-x-yFe5O12晶体粉末X-射线衍射(XRD)谱，PDF#23-0730:Yb3Fe5O12,PDF#85-0545:Ho3Fe5O12标准卡片；
图2为NdxBiyR3-x-yFe5O12磁光晶体中Bi3+含量随Nd3+掺杂浓度的变化；
图3为NdxBiyR3-x-yFe5O12晶体的室温比法拉第旋转角与外加磁场关系曲线；
图4为不同Bi3+含量稀土铁石榴石在1310 nm波段的比法拉第旋转角；
图5为NdxBiyR3-x-yFe5O12晶体的磁热重曲线，从中可以得出晶体的居里温度(T c)；
图6为NdxBiyR3-x-yFe5O12晶体的透过光谱。
具体实施方式
为使本发明所述内容更加便于理解，下面结合具体实例的实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但本发明不仅限于此处所给出的实例。
实施案例1
一种适用于1310 nm波段具强磁光效应、高居里温度、高含铋掺钕稀土铁石榴石晶体材料(Nd0.6Bi0.6Gd0.1Yb1.7)(Fe4.7Ga0.3)O12的制备方法，具体步骤如下：
(1)原料制备：按照摩尔比Nd2O3: Bi2O3: Yb2O3:Fe2O3:Ga2O3= 1.0: 60.1: 4.8:33.7:0.4称量药品，经充分研磨得到混合粉末原料；将混合粉末原料装入铂金坩埚，放入熔盐炉中；
(2)晶体的生长：采用顶部籽晶法进行晶体生长。在1215 ℃下将物料充分熔化，恒温24 h后以2-5 ℃.h-1的速率冷却至1185 ℃的结晶温度，然后以0.3℃.h-1的速率让熔液缓慢冷却并在GGG籽晶上析出石榴石单晶，获得晶体。晶体尺寸为10 × 10 × 7 mm3。其中质量比GGG: 混合粉末原料=0.4: 99.6。
对(Nd0.6Bi0.6Gd0.1Yb1.7)(Fe4.7Ga0.3)O12晶体的物相进行表征，X-射线衍射(XRD)谱(见图1)显示，晶体物相与Yb3Fe5O12标准卡片(PDF#23-0730)一致，表明晶体为石榴石相，无其它杂相生成。晶胞常数为a = b = c = 12.3955 Å，大于Yb3Fe5O12(12.302 Å)，见图2。采用消光法测试了(Nd0.6Bi0.6Gd0.1Yb1.7)(Fe4.7Ga0.3)O12晶体在1310 nm处的比法拉第旋转角为-790 deg. cm-1(见图4)。晶体的饱和外加磁场为60 mT,小于商用Bi:(HoEu)IG的80 mT，有利于器件的小型化与集成化。图5是(Nd0.6Bi0.6Gd0.1Yb1.7)(Fe4.7Ga0.3)O12晶体的磁热重曲线，其居里温度为273.1℃，是商用Bi:(HoEu)IG (250℃)的1.1倍。图6是晶体的透过光谱，结果表明晶体在未镀膜的情况下，材料具有良好的透过率，其在1310 nm处透过率为61.1%。
实施案例2
一种适用于1310 nm波段具强磁光效应、高居里温度、高含铋掺钕稀土铁石榴石晶体材料(Nd0.7Bi0.7Gd0.1Yb1.5)(Fe4.6Ga0.4)O12的制备方法，具体步骤如下：
(1)原料制备：按照摩尔比Nd2O3: Bi2O3: Yb2O3: Fe2O3: Ga2O3= 1.8: 60.1: 4.0:33.7: 0.4称量药品，经充分研磨得到混合粉末原料；将混合粉末原料装入铂金坩埚，放入熔盐炉中；
(2)晶体的生长：采用顶部籽晶法进行晶体生长。在1210 ℃下将物料充分熔化，恒温24 h后以2-5 ℃.h-1的速率冷却至1180 ℃的结晶温度，，然后以0.3℃.h-1的速率让熔液缓慢冷却并在GGG籽晶上析出石榴石单晶，获得晶体。晶体尺寸为19 × 16 × 10 mm3。其中质量比GGG: 混合粉末原料=0.4: 99.6。
对(Nd0.7Bi0.7Gd0.1Yb1.5)(Fe4.6Ga0.4)O12晶体的物相进行表征，X-射线衍射(XRD)谱(见图1)显示，晶体物相与Yb3Fe5O12标准卡片(PDF#23-0730)一致，表明晶体为石榴石相，无其它杂相生成。晶胞常数为a=b=c=12.4115 Å，大于(Nd0.6Bi0.6Gd0.1Yb1.7)(Fe4.7Ga0.3)O12和Yb3Fe5O12，见图2。采用消光法测试了(Nd0.7Bi0.7Gd0.1Yb1.5)(Fe4.6Ga0.4)O12晶体在1310 nm处的比法拉第旋转角为-1203 deg. cm-1，与LPE法生长Bi3+含量为1.2的商用Bi:(HoEu)IG相当，说明掺Nd3+能有效提高晶体的磁光效应，在后续晶体生长继续改进晶体的投料比和生长工艺，可进一步提高晶体中的Bi3+含量，获得具有更高磁光性能的晶体(见图4)。图5是(Nd0.7Bi0.7Gd0.1Yb1.5)(Fe4.6Ga0.4)O12晶体的磁热重曲线，其居里温度为273.3℃，是商用Bi:(HoEu)IG (250℃)磁光晶体的1.1倍。图6是晶体的透过光谱，结果表明晶体在未镀膜的情况下，在1310 nm处透过率为68.7%，透过性能优异，说明该晶体有望在1310nm波段实现应用。
实施案例3
一种适用于1310 nm波段的具强磁光效应、高居里温度、高含铋掺钕稀土铁石榴石晶体材料(Nd0.3Bi0.9Gd0.3Ho1.0Eu0.5)(Fe4.8Ga0.2)O12的制备方法，具体步骤如下：
(1)原料制备：按照摩尔比Nd2O3: Bi2O3: Ho2O3: Eu2O3: Fe2O3: Ga2O3= 2.0:58.5:1.7:1.6: 35.8: 0.4称量药品，经充分研磨得到混合粉末原料；将混合粉末原料装入铂金坩埚，放入熔盐炉中；
(2)晶体的生长：采用顶部籽晶法进行晶体生长。在1237 ℃下将物料充分熔化，恒温24 h后以2-5 ℃.h-1的速率冷却至1207 ℃的结晶温度，然后以0.3℃.h-1的速率让熔液缓慢冷却并在GGG籽晶上析出石榴石单晶，获得晶体。晶体尺寸为15 × 13 × 11 mm3。其中质量比GGG: 混合粉末原料=0.4: 99.6。
对(Nd0.3Bi0.9Gd0.3Ho1.0Eu0.5)(Fe4.8Ga0.2)O12晶体的物相进行表征，X-射线衍射(XRD)谱(见图1)显示，晶体物相与Ho3Fe5O12标准卡片(PDF#85-0545)一致，表明晶体为石榴石相，无其它杂相生成。采用ICP-OE测试确定晶体化学式，并对比晶体中Bi3+含量与Nd3+掺杂浓度的变化。拟合晶胞常数为a=b=c=12.4876 Å，大于Ho3Fe5O12(12.376 Å)，见图2。采用消光法测试了(Nd0.3Bi0.9Gd0.3Ho1.0Eu0.5)(Fe4.8Ga0.2)O12晶体在1310 nm处的法拉第旋转系数为-1094 deg. cm-1(见图4)。图5是(Nd0.3Bi0.9Gd0.3Ho1.0Eu0.5)(Fe4.8Ga0.2)O12晶体的磁热重曲线，其居里温度为296.4℃，是商用Bi:(HoEu)IG的1.2倍。晶体的饱和外加磁场为60 mT,小于商用Bi:(HoEu)IG的80 mT，有利于器件的小型化与集成化。图6是晶体的透过光谱，结果表明晶体在未镀膜的情况下，材料具有良好的透过率，其在1310 nm处透过率为65.5%。
实施案例4
一种适用于1310 nm波段的具强磁光效应、高居里温度、高含铋掺钕稀土铁石榴石晶体材料(Nd0.4Bi1.0Gd0.3Ho0.9Eu0.4)(Fe4.8Ga0.2)O12的制备方法，具体步骤如下：
(1)原料制备：按照摩尔比Nd2O3: Bi2O3: Ho2O3: Eu2O3: Fe2O3: Ga2O3= 2.9:58.5: 1.3: 1.1: 35.8: 0.4称量药品，经充分研磨得到混合粉末原料；将混合粉末原料装入铂金坩埚，放入熔盐炉中；
(2)晶体的生长：采用顶部籽晶法进行晶体生长。在1237 ℃下将物料充分熔化，恒温24 h后以2-5 ℃ h-1的速率冷却至1207 ℃的结晶温度，然后以0.3 ℃ h-1的速率让熔液缓慢冷却并在GGG籽晶上析出石榴石单晶，获得晶体。晶体尺寸为15 × 13 × 11 mm3。其中质量比GGG: 混合粉末原料=0.4: 99.6。
对(Nd0.4Bi1.0Gd0.3Ho0.9Eu0.4)(Fe4.8Ga0.2)O12晶体的物相进行表征，X-射线衍射(XRD)谱(见图1)显示，晶体物相与Ho3Fe5O12标准卡片(PDF#85-0545)一致，表明晶体为石榴石相，无其它杂相生成。采用ICP-OE测试确定晶体化学式，并对比晶体中Bi3+含量与Nd3+掺杂浓度的变化。拟合晶胞常数为a=b=c=12.5020 Å，大于Ho3Fe5O12和(Nd0.3Bi0.9Gd0.3Ho1.0Eu0.5)(Fe4.8Ga0.2)O12，见图2。采用消光法测试了(Nd0.4Bi1.0Gd0.3Ho0.9Eu0.4)(Fe4.8Ga0.2)O12晶体在1310 nm处的法拉第旋转系数为-1185 deg.cm-1(见图4)。图5是(Nd0.4Bi1.0Gd0.3Ho0.9Eu0.4)(Fe4.8Ga0.2)O12晶体的磁热重曲线，其居里温度为298.5℃，是商用Bi:(HoEu)IG的1.2倍。图6是晶体的透过光谱，结果表明晶体在未镀膜的情况下，在1310 nm处透过率为66.9%，透过性能优异，说明该晶体有望在1310 nm波段实现应用。
实施案例5
一种适用于1310 nm波段的具强磁光效应、高居里温度、高含铋掺钕稀土铁石榴石晶体材料(Nd0.5Bi1.2Gd0.4Ho0.8Eu0.1)(Fe4.7Ga0.3)O12的制备方法，具体步骤如下：
(1)原料制备：按照摩尔比Nd2O3: Bi2O3: Ho2O3: Eu2O3: Fe2O3: Ga2O3= 3.8:58.5: 1: 0.5: 35.6: 0.6称量药品，经充分研磨得到混合粉末原料；将混合粉末原料装入铂金坩埚，放入熔盐炉中；
(2)晶体的生长：采用顶部籽晶法进行晶体生长。在1237 ℃下将物料充分熔化，恒温24 h后以2-5 ℃.h-1的速率冷却至1207 ℃的结晶温度，然后以0.3℃.h-1的速率让熔液缓慢冷却并在GGG籽晶上析出石榴石单晶，获得晶体。晶体尺寸为14 × 13 × 10 mm3。其中质量比GGG: 混合粉末原料=0.4: 99.6。
对(Nd0.5Bi1.2Gd0.4Ho0.8Eu0.1)(Fe4.7Ga0.3)O12晶体的物相进行表征，X-射线衍射(XRD)谱(见图1)显示，晶体物相与Ho3Fe5O12标准卡片(PDF#85-0545)一致，表明晶体为石榴石相，无其它杂相生成。采用ICP-OE测试确定晶体化学式，对比晶体中Bi3+含量与Nd3+掺杂浓度的变化，发现随着Nd3+掺杂浓度的提高，Bi3+在晶体中的含量也增加，晶胞常数也变大，说明Nd3+的引入能使晶胞膨胀，进而提高晶体中Bi3+含量。拟合晶胞常数为a=b=c=12.5305Å，大于Ho3Fe5O12、(Nd0.3Bi0.9Gd0.3Ho1.0Eu0.5)(Fe4.8Ga0.2)O12和(Nd0.4Bi1.0Gd0.3Ho0.9Eu0.4)(Fe4.8Ga0.2)O12，见图2。采用消光法测试了(Nd0.5Bi1.2Gd0.4Ho0.8Eu0.1)(Fe4.7Ga0.3)O12晶体在1310 nm处的法拉第旋转系数为-1320 deg. cm-1，是具同等Bi3+含量商用Bi:(HoEu)IG的1.1倍 (见图4)。在后续晶体生长改进晶体的生长工艺和投料比，有望进一步提高晶体中的Nd3+和Bi3+含量，获得具有更强磁光效应的晶体。晶体的饱和外加磁场为60 mT,小于商用Bi:(HoEu)IG的80 mT，有利于器件的小型化与集成化。图3是(Nd0.5Bi1.2Gd0.4Ho0.8Eu0.1)(Fe4.7Ga0.3)O12晶体的磁热重曲线，其居里温度为273.4℃，是商用Bi:(HoEu)IG的1.1倍。图6是晶体的透过光谱，结果表明晶体在未镀膜的情况下，在1310 nm处透过率为70.5%，高于商用Bi:(HoEu)IG的70.4%，接近理论透过率，透过性能优异，说明该晶体在1310 nm波段有望实现应用。
以上所述仅为本发明的较佳实施案例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (5)
1.一种适用于1310 nm波段的具强磁光效应、高居里温度、高含铋掺钕稀土铁石榴石晶体，其特征在于，所述晶体的化学式为NdxBiyR3-x-yFe5O12，式中R为稀土元素Yb、Ho、Eu中的一种或几种，0.3≤x≤0.7，0.6≤y≤1.2；该晶体材料属于立方晶系，空间群为Iad，其中，Nd、Bi和R进入十二面体格位。
2.根据权利要求1所述的适用于1310 nm波段的具强磁光效应、高居里温度、高含铋掺钕稀土铁石榴石晶体，其特征在于，所述晶体的化学式为(Nd0.5Bi1.2Gd0.4Ho0.8Eu0.1)(Fe4.7Ga0.3)O12，该晶体材料属于立方晶系，空间群为Iad，晶胞常数a=b=c=12.5305 Å，晶胞体积为1967.46 Å3，Z=8；其中，Nd、Bi、Ho、Eu进入十二面体格位。
3.一种如权利要求1所述的适用于1310 nm波段的具强磁光效应、高居里温度、高含铋掺钕稀土铁石榴石晶体的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：
(1)原料制备：按照比例准确称量Nd2O3、Bi2O3、Fe2O3、Ga2O3和稀土氧化物粉末原料，经充分研磨得到混合粉末原料；将混合粉末原料装入铂金坩埚，放入熔盐炉中；
(2)晶体的生长：采用顶部籽晶法进行晶体生长；将物料充分熔化，然后以0.3℃.h-1的速率让熔液缓慢冷却并在GGG籽晶上析出石榴石单晶，获得晶体。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，采用Bi2O3 + Fe2O3自助熔剂体系，使晶体生长的温度有效降低，且不增加其他杂质。
5.如权利要求1中所述的高含铋掺钕稀土铁石榴石晶体在用作1310 nm波段高性能光隔离器、光非互易元件、磁光存储器及磁光调制器，以及在光纤通信与集成光学器件、磁光显示、激光雷达领域中的应用。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311244280.6A CN117265662A (zh) | 2023-09-26 | 2023-09-26 | 适用于1310nm波段的具强磁光效应、高居里温度、高含铋掺钕稀土铁石榴石晶体 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311244280.6A CN117265662A (zh) | 2023-09-26 | 2023-09-26 | 适用于1310nm波段的具强磁光效应、高居里温度、高含铋掺钕稀土铁石榴石晶体 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117265662A true CN117265662A (zh) | 2023-12-22 |
Family
ID=89215570
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311244280.6A Pending CN117265662A (zh) | 2023-09-26 | 2023-09-26 | 适用于1310nm波段的具强磁光效应、高居里温度、高含铋掺钕稀土铁石榴石晶体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117265662A (zh) |
-
2023
- 2023-09-26 CN CN202311244280.6A patent/CN117265662A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN103282556B (zh) | Bi置换稀土类铁石榴石单晶和光学器件 | |
| CN102892932A (zh) | Bi置换稀土类铁石榴石单晶及其制造方法、以及光学器件 | |
| CN101545133B (zh) | 一种稀土铁氧体磁光晶体生长方法 | |
| JP2014189472A (ja) | ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶及びその製造方法 | |
| US4293371A (en) | Method of making magnetic film-substrate composites | |
| KR20040018278A (ko) | 자성 가닛 단결정막 형성용 기판, 광학 소자 및 그 제조방법 | |
| CN110629286A (zh) | 一种掺杂钒酸镝磁光晶体、生长方法及其应用 | |
| CN106149056A (zh) | 一种稀土碱土硼酸盐及制备方法和用途 | |
| CN115852489A (zh) | 一种高含铈立方相铈钪镓石榴石磁光晶体制备方法与应用 | |
| CN117265662A (zh) | 适用于1310nm波段的具强磁光效应、高居里温度、高含铋掺钕稀土铁石榴石晶体 | |
| WO2003032339A2 (en) | Process for fabricating an article comprising a magneto-optic garnet material | |
| JPH09328396A (ja) | 磁気光学素子の基板用ガーネット結晶及びその製造法 | |
| CN103866388A (zh) | 一种立方相萤石型铌酸铽钙磁光晶体及其制备方法 | |
| JP4802995B2 (ja) | 磁性ガーネット単結晶及びそれを用いた光学素子 | |
| CN112095149A (zh) | 一种高含铈掺钪钆铁石榴石磁光晶体及其制备方法和应用 | |
| CN109868504B (zh) | 含铽的硼酸盐化合物、含铽的硼酸盐的多晶化合物、光学晶体及其制备方法和用途 | |
| JP2001044027A (ja) | 磁性ガーネット単結晶およびそれを用いたファラデー回転子 | |
| US4499061A (en) | Strontium ferrite borate | |
| CN117127262A (zh) | 一种具有高透过、低温度系数和低波长系数的镍掺杂铋稀土铁石榴石磁光晶体 | |
| JP2000119100A (ja) | 非磁性ガーネット単結晶及び磁性ガーネット単結晶 | |
| Shen et al. | Recent advances of rare earth iron garnet magneto-optical single crystals | |
| JPH034518B2 (zh) | ||
| CN115341283B (zh) | 一种硼酸锂钡铽磁光晶体及其制备方法和应用 | |
| JPH09202697A (ja) | Ｂｉ置換型ガーネットの製造方法 | |
| JP2001348297A (ja) | ビスマス置換型ガーネット厚膜材料及びその製造方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |