JP3614248B2 - 磁気光学素子の基板用ガーネット結晶及びその製造法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、光アイソレータや光スイッチとして利用されている磁気光学素子用ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜を育成するためのガーネット結晶に関する。詳しくは、格子定数が大きいため、ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜にビスマスを多量に固溶できるガーネット結晶基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶 （以下「ＢＩＧ 」と記す）は、近赤外領域で優れた透明性と大きなファラデー効果を示す優れた材料である。実際、数百マイクロメートルの厚さに育成された単結晶厚膜が、光アイソレータや光スイッチ等のファラデー回転子として、すでに広く実用に供されている。
数百マイクロメートルの厚さからなる ＢＩＧの厚膜は、通常液相エピタキシャル法により、非磁性のガーネット基板上に育成される。このような厚い ＢＩＧ膜を育成するためには、 ＢＩＧ膜と基板との格子定数を厳密に一致させる必要がある。膜と基板の格子定数差が大きい場合、欠陥が増加するとか、ストレスによって基板が割れるなどの不都合が生じる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ＢＩＧ 厚膜育成用のガーネット基板としては、格子定数 １．２４９７ｎｍ の（ＣａＧｄ）_３（ＭｇＺｒＧａ）_５Ｏ_１２ のＳＧＧＧ基板や格子定数 １．２５１ｎｍのＣａ_３（ＮｂＧａ）_５Ｏ_１２ のＣＮＧＧ基板がある。しかし、ＢＩＧ 膜のファラデー効果と格子定数はビスマス置換量に比例して大きくなることから、さらに一層格子定数が大きなガーネット基板が望まれていた。
【０００４】
例えば、希土類種としてガドリニウムを用いた ＢＩＧ厚膜［Ｇｄ_３−ＸＢｉ_Ｘ Ｆｅ_５Ｏ_１２］ を、上記のＣＮＧＧ基板上に育成する場合、ビスマスの置換量ｘは ０．８が限界となる。この単結晶厚膜で波長１．５５μｍに対応するファラデー回転子を作成すると約 ５５０μｍもの厚さとなる。ところが、通常、液相エピタキシャル法では ５００μｍ以上の厚さの ＢＩＧ厚膜を育成するのは非常に困難である。
ビスマスをより多く固溶させる方法として、鉄をイオン半径の小さいガリウムやアルミニウムで置換し、基板との格子整合を図るという次善の策が採られている。しかし、鉄をガリウムやアルミニウムで置換するとファラデー回転係数の温度依存性が大きくなるという別の問題が派生する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、格子定数の大きなビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶厚膜育成用のガーネット結晶を得るため鋭意検討を重ね、本発明を完成させた。
すなわち、本発明は、一般式： Ｃａ_３Ｌｉ_ｘＮｂ_{（１．５＋ｘ）}Ｇａ_{（３．５−２ｘ）}Ｏ_１２ （但し、ｘは０．２４≦ｘ≦０．６０）で表される磁気光学素子の基板用ガーネット結晶（以下、ＣＬＮＧＧ と記す） である。
【０００６】
上記 ＢＩＧ厚膜［Ｇｄ_３−ＸＢｉ_Ｘ Ｆｅ_５Ｏ_１２］ を本発明の ＣＬＮＧＧ基板上に育成すると、ビスマスの置換量ｘを ０．８から １．３まで大きくとることが可能となり、波長１．５５μｍに対応するファラデー回転子を作成すると約 ３３０μｍ程度の厚さとなり、液相エピタキシャル法で容易に製造可能となる。
そして、本発明の ＣＬＮＧＧは、一般式：Ｒ_３−ｙＢｉ_ｙＦｅ_５−ｚＭ_ｚＯ_１２ （但し、ｙ、ｚはそれぞれ ０≦ｙ≦２．０ 、 ０≦ｚ≦２．０ の範囲の数値を示し、Ｒは Ｙ， Ｌａ， Ｃｅ， Ｐｒ， Ｎｄ， Ｓｍ， Ｅｕ， Ｇｄ， Ｔｂ， Ｄｙ， Ｈｏ， Ｅｒ， Ｔｍ， Ｙｂ， Ｌｕの少なくとも１種であり、かつ、Ｍは Ｉｎ， Ｓｃ， Ｇａ， Ａｌ の少なくとも１種を表す。）で表されるビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶を液相エピタキシャル法で育成するのに好適に使用されるものである。
【０００７】
本発明の ＣＬＮＧＧはカルシウム、リチウム、ニオブ、ガリウムの酸化物をＣａ：Ｌｉ：Ｎｂ：Ｇａ（原子比）＝３：ｘ：（１．５＋ｘ）：（３．５−２ｘ） （但し、ｘは０．２４≦ｘ≦０．６０）の量比で十分混合し、得られた混合物を溶融し、固化させて製造法される。
本発明の実施に際して、結晶製造方法に特に制限はなく、チョクラルスキー法、フローテイングゾーン法あるいはブリッジマン法が採用可能である。
本発明の実施に際して、酸化物混合物を溶融させる容器材質に特に制限はなく、白金、イリジウムを用いることができる。
本発明の実施に際して、酸化物混合物を溶融させる際の雰囲気に特に制限はなく、不活性ガスあるいは酸化性ガスの何れでも特に問題はない。
【０００８】
【実施例】
以下、本発明を実施例によって説明する。なお、以下の例は具体的に説明するもので、本発明の範囲を限定するものではない。
実施例１
Ｃａ：Ｌｉ：Ｎｂ：Ｇａ（原子比）＝３．０：０．２７５：１．７７５：２．９５になるように調整された ９９．９９％の純度の炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３） 、炭酸リチウム（Ｌｉ_２ＣＯ_３）、酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_５） 、酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３） の混合物 ２００ｇ を、直径４０ｍｍ、高さ４０ｍｍの白金坩堝に仕込み、空気雰囲気下、種結晶回転数 ２０ｒ．ｐ．ｍ． 、引き上げ速度 ３ｍｍ／ｈｒ でチョクラルスキー法により結晶を育成した。
得られた結晶は、ｘ線回折および元素分析により、格子定数が １．２５４ｎｍで、結晶組成が Ｃａ_３Ｌｉ_{０．２７５}Ｎｂ_{１．７７５}Ｇａ_２．９５Ｏ_１２ のガーネット結晶と認められた。
【０００９】
実施例２
Ｃａ：Ｌｉ：Ｎｂ：Ｇａ（原子比）＝３．０：０．２５：１．７５：３ になるように調整された ９９．９９％の純度の炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３） 、炭酸リチウム（Ｌｉ_２ＣＯ_３）、酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_５） 、酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３） の混合物 ０．１ｇ を ５ｍｍ×１５ｍｍ×１ｍｍ の大きさの白金坩堝に仕込み溶融させた。ついでμ−ＰＤ法（Ｊ． Ｃｒｙｓｔ． Ｇｒｏｗｔｈ １４２（１９９４）３３９） により、坩堝下部に設置された直径 ０．８ｍｍ、長さ １ｍｍのキャピラリー部から上記混合融液成分を １２ｍｍ／ｈｒの速度で落下させ、ファイバー状結晶を育成した。
得られた結晶は、Ｘ線回折および元素分析により、格子定数が １．２５４１ｎｍ で、結晶組成が Ｃａ_３Ｌｉ_０．２５Ｎｂ_１．７５Ｇａ_３Ｏ_１２のガーネット結晶と認められた。
【００１０】
実施例３
Ｃａ：Ｌｉ：Ｎｂ：Ｇａ（原子比）＝３．０：０．５：２．０：２．５ になるように調整された ９９．９９％の純度の炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３） 、炭酸リチウム（Ｌｉ_２ＣＯ_３）、酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_５） 、酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３） の混合物 ０．１ｇ を ５ｍｍ×１５ｍｍ×１ｍｍ の大きさの白金坩堝に仕込み溶融させた。ついで、実施例２と全く同様にして、ファイバー状結晶を育成した。得られた結晶は、ｘ線回折および元素分析により、格子定数が １．２５４２ｎｍ で、結晶組成が Ｃａ_３Ｌｉ_０．５０Ｎｂ_２．０Ｇａ_２．５Ｏ_１２ のガーネット結晶と認められた。
【００１１】
【発明の効果】
従来のガーネット基板の格子定数よりもさらに大きな格子定数を有するガーネット基板が得られたことで、ＬＰＥ 法で育成されるビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜のビスマス置換量をさらに増すことが可能となった。その結果、光アイソレータや光スイッチあるいは光磁界センサに利用される磁気光学効果の大きいファラデー回転子が得られる。

Claims (3)

1. 一般式： Ｃａ_３Ｌｉ_ｘＮｂ_{（１．５＋ｘ）}Ｇａ_{（３．５−２ｘ）}Ｏ_１２ （但し、ｘは０．２４≦ｘ≦０．６０）で表される磁気光学素子の基板用ガーネット結晶。
2. 該磁気光学素子が基板用ガーネット結晶上に、液相エピタキシャル法で育成されてなり、一般式：Ｒ_３−ｙＢｉ_ｙＦｅ_５−ｚＭ_ｚＯ_１２ （但し、ｙ， ｚはそれぞれ ０≦ｙ≦２．０， ０≦ｚ≦２．０ の範囲の数値を示し、Ｒは Ｙ， Ｌａ， Ｃｅ， Ｐｒ， Ｎｄ， Ｓｍ， Ｅｕ， Ｇｄ， Ｔｂ， Ｄｙ， Ｈｏ， Ｅｒ， Ｔｍ， Ｙｂ， Ｌｕの少なくとも１種であり、かつ、Ｍは Ｉｎ， Ｓｃ， Ｇａ， Ａｌ の少なくとも１種を表す。）で表されるビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶からなる磁気光学結晶膜を形成するものである請求項１記載の磁気光学素子の基板用ガーネット結晶。
3. カルシウム、リチウム、ニオブおよびガリウムの酸化物を
   Ｃａ：Ｌｉ：Ｎｂ：Ｇａ（原子比）＝３：ｘ：（１．５＋ｘ）：（３．５−２ｘ） （但し、ｘは０．２４≦ｘ≦０．６０）の量比で十分混合し、得られた混合物を溶融し、固化させて結晶を得る磁気光学素子の基板用ガーネット結晶の製造法。