JP3806966B2 - 磁性ガーネット単結晶の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は磁性ガーネット単結晶の製造方法に関し、特に、たとえば、光磁気光学素子や静磁波素子に用いられる磁性ガーネット単結晶の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光磁気光学素子や静磁波素子に用いられる磁性ガーネット単結晶として最も重要なものは、イットリウム・鉄・ガーネット（Ｙ₃ Ｆｅ₅ Ｏ₁₂：以下「ＹＩＧ」と表す。）単結晶である。
【０００３】
従来、ＹＩＧ単結晶を得るためには、フラックス法または浮遊帯域溶融法（以下「ＦＺ法」と表す。）によってバルク単結晶が育成されるか、液相エピタキシャル法（以下「ＬＰＥ法」と表す。）によってガーネット基板上に単結晶膜が育成される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、フラックス法やＦＺ法では大型の磁性ガーネット単結晶を育成することができないという問題があり、ＬＰＥ法では磁性特性に何も関与していない高価なガーネット基板を用いるため、育成される磁性ガーネット単結晶のコストが高くなるという問題があった。
【０００６】
この発明の主たる目的は、大型の磁性ガーネット単結晶を低コストで製造することができる磁性ガーネット単結晶の製造方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明にかかる磁性ガーネット単結晶の製造方法は、化学式Ｒ₃（Ｇａ_1-xＡｌ_x）_5-yＦｅ_yＯ₁₂（ただし、ＲはＹ，Ｌａ，Ｇｄ，Ｎｄ，Ｓｍより選ばれる１種以上の元素であり、ｘおよびｙはそれぞれ０≦ｘ≦１，０＜ｙ≦１．６５である）を満足する金属元素を含む組成の化合物を混合し、加熱溶融させた後、冷却固化させて磁性ガーネット単結晶を得る、磁性ガーネット単結晶の製造方法であって、加熱溶融させた後、冷却固化させて磁性ガーネット単結晶を得る方法は、引き上げ法またはブリッジマン法である、磁性ガーネット単結晶の製造方法である。
【００１１】
【作用】
この発明にかかる磁性ガーネット単結晶のように、非磁性ガーネット単結晶材料の一部を磁性材料であるＦｅで置換すれば、引き上げ法やブリッジマン法によって大型の磁性ガーネット単結晶を育成することができるようになる。なお、Ｆｅによる置換量すなわちｙを１．６５より大きくすると、温度変化したときに組成変化を示さずに固相および液相間の相変化をおこす一致溶融化合物にならないため、引き上げ法やブリッジマン法によって磁性ガーネット単結晶を育成することができない。
【００１２】
【発明の効果】
この発明によれば、引き上げ法やブリッジマン法によって大型の磁性ガーネット単結晶を育成することができるようになるので、高価なガーネット基板を用いることなく低コストで大型の磁性ガーネット単結晶を製造することができるようになる。
【００１３】
この発明の上述の目的、その他の目的、特徴および利点は、図面を参照して行う以下の発明の実施の形態の詳細な説明から一層明らかとなろう。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明にかかる磁性ガーネット単結晶を引き上げ法によって育成するための単結晶育成装置の一例を示す図解図である。図１に示す単結晶育成装置１０は、上方が開放された箱型の断熱用炉材１２を含む。断熱用炉材１２の内底には、るつぼ支持体１４が形成される。るつぼ支持体１４上には、たとえば内径６０ｍｍ、高さ６０ｍｍ、厚さ１ｍｍのイリジウム製のるつぼ１６が支持される。るつぼ１６は、その中に単結晶材料の融液Ａを入れるためのものである。るつぼ１６と断熱用炉材１２との間には、断熱材１８が設けられる。また、るつぼ１６の上方には、上方が開放された断熱用炉材２０が形成される。さらに、るつぼ１６の上方には、種子結晶支持体２２が設けられる。種子結晶支持体２２は、種子結晶Ｂを支持するためのものであり、種子結晶Ｂは、その表面に単結晶Ｃを育成するためのものである。
【００１５】
（実施例１）
Ｇｄ₃ （Ｇａ，Ｆｅ）₅ Ｏ₁₂系単結晶を育成するための出発物質（単結晶材料）として、Ｇｄ₂ Ｏ₃ 、Ｇａ₂ Ｏ₃ およびＦｅ₂ Ｏ₃ を、表１に示す組成比になるように約７００ｇ調合し、混合成型した後、図１に示す単結晶育成装置１０のるつぼ１６に充填し、高周波誘導加熱によって融解させた。
【００１６】
【表１】

【００１７】
そして、るつぼ１６内の単結晶材料の融液Ａに、種子結晶支持体２２で支持した４．５ｍｍ×４．５ｍｍ×５０ｍｍのＧｄ₃ Ｇａ₅ Ｏ₁₂種子結晶Ｂを接触させて、種子結晶Ｂの表面から下方に単結晶Ｃを育成した。
【００１８】
その結果、直径２０ｍｍ，長さ５０ｍｍ，重量約１００ｇのＧｄ₃ （Ｇａ，Ｆｅ）₅ Ｏ₁₂系単結晶を育成することができた。
【００１９】
育成した単結晶を５ｍｍ×５ｍｍ×１ｍｍの大きさに切り出して飽和磁化測定用の試料とした。試料の飽和磁化は振動試料型磁力計を用いて測定した。その結果を表１に示す。
【００２０】
なお、表１中、試料番号に＊を付したものはこの発明の範囲外のものであり、他のものはこの発明の範囲内のものである。
【００２１】
この発明において、組成を限定したのは以下の理由である。
すなわち、試料番号１のように、組成にＦｅが含有していない試料では、磁気特性を示さない。また、試料番号６のように、Ｆｅの量が１．６５より多くなると、単結晶を育成することができなくなる。
【００２２】
（実施例２）
Ｇｄ_2.5 Ｎｄ_0.5 （Ｇａ，Ｆｅ）₅ Ｏ₁₂系単結晶を育成するための出発物質（単結晶材料）として、Ｇｄ₂ Ｏ₃ 、Ｎｄ₂ Ｏ₃ 、Ｇａ₂ Ｏ₃ およびＦｅ₂ Ｏ₃ を、表２に示す組成比になるように約７００ｇ調合し、混合成型した後、図１に示す単結晶育成装置１０のるつぼ１６に充填し、高周波誘導加熱によって融解させた。
【００２３】
【表２】

【００２４】
そして、るつぼ１６内の単結晶材料の融液Ａに、種子結晶支持体２２で支持した４．５ｍｍ×４．５ｍｍ×５０ｍｍのＧｄ₃ Ｇａ₅ Ｏ₁₂種子結晶Ｂを接触させて、種子結晶Ｂの表面から下方に単結晶Ｃを育成した。
【００２５】
その結果、直径２０ｍｍ，長さ５０ｍｍ，重量約１００ｇのＧｄ_2.5 Ｎｄ_0.5 （Ｇａ，Ｆｅ）₅ Ｏ₁₂系単結晶を育成することができた。
【００２６】
育成した単結晶を５ｍｍ×５ｍｍ×１ｍｍの大きさに切り出して飽和磁化測定用の試料とした。試料の飽和磁化は振動試料型磁力計を用いて測定した。その結果を表２に示す。
【００２７】
なお、表２中、試料番号に＊を付したものはこの発明の範囲外のものであり、他のものはこの発明の範囲内のものである。
【００２８】
この発明において、組成を限定したのは以下の理由である。
すなわち、試料番号７のように、組成にＦｅが含有していない試料では、磁気特性を示さない。また、試料番号１２のように、Ｆｅの量が１．６５より多くなると、単結晶を育成することができなくなる。
【００２９】
（実施例３）
Ｇｄ_1.5 Ｓｍ_1.5 （Ｇａ，Ｆｅ）₅ Ｏ₁₂系単結晶を育成するための出発物質（単結晶材料）として、Ｇｄ₂ Ｏ₃ 、Ｓｍ₂ Ｏ₃ 、Ｇａ₂ Ｏ₃ およびＦｅ₂ Ｏ₃ を、表３に示す組成比になるように約７００ｇ調合し、混合成型した後、図１に示す単結晶育成装置１０のるつぼ１６に充填し、高周波誘導加熱によって融解させた。
【００３０】
【表３】

【００３１】
そして、るつぼ１６内の単結晶材料の融液Ａに、種子結晶支持体２２で支持した４．５ｍｍ×４．５ｍｍ×５０ｍｍのＧｄ₃ Ｇａ₅ Ｏ₁₂種子結晶Ｂを接触させて、種子結晶Ｂの表面から下方に単結晶Ｃを育成した。
【００３２】
その結果、直径２０ｍｍ，長さ５０ｍｍ，重量約１００ｇのＧｄ_1.5 Ｓｍ_1.5 （Ｇａ，Ｆｅ）₅ Ｏ₁₂系単結晶を育成することができた。
【００３３】
育成した単結晶を５ｍｍ×５ｍｍ×１ｍｍの大きさに切り出して飽和磁化測定用の試料とした。試料の飽和磁化は振動試料型磁力計を用いて測定した。その結果を表３に示す。
【００３４】
なお、表３中、試料番号に＊を付したものはこの発明の範囲外のものであり、他のものはこの発明の範囲内のものである。
【００３５】
この発明において、組成を限定したのは以下の理由である。
すなわち、試料番号１３のように、組成にＦｅが含有していない試料では、磁気特性を示さない。また、試料番号１８のように、Ｆｅの量が１．６５より多くなると、単結晶を育成することができなくなる。
【００３６】
（実施例４）
Ｙ₃ （Ｇａ，Ａｌ，Ｆｅ）₅ Ｏ₁₂系単結晶を育成するための出発物質（単結晶材料）として、Ｙ₂ Ｏ₃ 、Ｇａ₂ Ｏ₃ 、Ａｌ₂ Ｏ₃ およびＦｅ₂ Ｏ₃ を、表４に示す組成比になるように約７００ｇ調合し、混合成型した後、図１に示す単結晶育成装置１０のるつぼ１６に充填し、高周波誘導加熱によって融解させた。
【００３７】
【表４】

【００３８】
そして、るつぼ１６内の単結晶材料の融液Ａに、種子結晶支持体２２で支持した４．５ｍｍ×４．５ｍｍ×５０ｍｍのＹ₃ Ａｌ₅ Ｏ₁₂種子結晶Ｂを接触させて、種子結晶Ｂの表面から下方に単結晶Ｃを育成した。
【００３９】
その結果、直径２０ｍｍ，長さ５０ｍｍ，重量約１００ｇのＹ₃ （Ｇａ，Ａｌ，Ｆｅ）₅ Ｏ₁₂系単結晶を育成することができた。
【００４０】
育成した単結晶を５ｍｍ×５ｍｍ×１ｍｍの大きさに切り出して飽和磁化測定用の試料とした。試料の飽和磁化は振動試料型磁力計を用いて測定した。その結果を表４に示す。
【００４１】
なお、表４中、試料番号に＊を付したものはこの発明の範囲外のものであり、他のものはこの発明の範囲内のものである。
【００４２】
この発明において、組成を限定したのは以下の理由である。
すなわち、試料番号１９のように、組成にＦｅが含有していない試料では、磁気特性を示さない。また、試料番号２４のように、Ｆｅの量が１．６５より多くなると、単結晶を育成することができなくなる。
【００４３】
図２はこの発明にかかる磁性ガーネット単結晶をブリッジマン法によって育成するための単結晶育成装置の一例を示す図解図である。図２に示す単結晶育成装置３０は、るつぼ昇降機３２を含む。るつぼ昇降機３２上端には、たとえば内径３０ｍｍ、高さ２４０ｍｍ、厚さ０．４ｍｍの白金ロジウム製のるつぼ３４が支持される。るつぼ３４は、その中に単結晶材料の融液Ａを入れるためのものである。るつぼ昇降機３２によるるつぼ３４の昇降通路の上部の外側には、縦型管状のヒーター３６が設けられる。
【００４４】
（実施例５）
Ｇｄ₃ （Ｇａ，Ｆｅ）₅ Ｏ₁₂系単結晶を育成するための出発物質（単結晶材料）として、Ｇｄ₂ Ｏ₃ 、Ｇａ₂ Ｏ₃ およびＦｅ₂ Ｏ₃ を、表５に示す組成比になるように約７００ｇ調合し、混合成型した後、図２に示す単結晶育成装置３０のるつぼ３４に充填し、ヒーター３６による加熱によって融解させた。
【００４５】
【表５】

【００４６】
その後、るつぼ昇降機３２でるつぼ３４を２ｍｍ／時間の速度で降下させて、るつぼ３４内の単結晶材料の溶液Ａを、下部から凝固させ単結晶化させた。
【００４７】
その結果、直径３０ｍｍ，長さ２２ｍｍ，重量約１００ｇのＧｄ₃ （Ｇａ，Ｆｅ）₅ Ｏ₁₂系単結晶を育成することができた。
【００４８】
育成した単結晶を５ｍｍ×５ｍｍ×１ｍｍの大きさに切り出して飽和磁化測定用の試料とした。試料の飽和磁化は振動試料型磁力計を用いて測定した。その結果を表５に示す。
【００４９】
なお、表５中、試料番号に＊を付したものはこの発明の範囲外のものであり、他のものはこの発明の範囲内のものである。
【００５０】
この発明において、組成を限定したのは以下の理由である。
すなわち、試料番号２５のように、組成にＦｅが含有していない試料では、磁気特性を示さない。また、試料番号３０のように、Ｆｅの量が１．６５より多くなると、単結晶を育成することができなくなる。
【００５１】
上述のように、この発明によれば、引き上げ法やブリッジマン法によって大型の磁性ガーネット単結晶を育成することができるので、高価なガーネット基板を用いることなく低コストで大型の磁性ガーネット単結晶を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明にかかる磁性ガーネット単結晶を引き上げ法によって育成するための単結晶育成装置の一例を示す図解図である。
【図２】この発明にかかる磁性ガーネット単結晶をブリッジマン法によって育成するための単結晶育成装置の一例を示す図解図である。
【符号の説明】
１０ 単結晶育成装置
１２ 断熱用炉材
１４ るつぼ支持体
１６ るつぼ
１８ 断熱材
２０ 断熱用炉材
２２ 種子結晶支持体
３０ 単結晶育成装置
３２ るつぼ昇降機
３４ るつぼ
３６ ヒーター
Ａ 単結晶材料の融液
Ｂ 種子結晶
Ｃ 単結晶

Claims (1)

1. 化学式Ｒ₃（Ｇａ_1-xＡｌ_x）_5-yＦｅ_yＯ₁₂（ただし、ＲはＹ，Ｌａ，Ｇｄ，Ｎｄ，Ｓｍより選ばれる１種以上の元素であり、ｘおよびｙはそれぞれ０≦ｘ≦１，０＜ｙ≦１．６５である）を満足する金属元素を含む組成の化合物を混合し、加熱溶融させた後、冷却固化させて磁性ガーネット単結晶を得る、磁性ガーネット単結晶の製造方法であって、
   前記加熱溶融させた後、冷却固化させて磁性ガーネット単結晶を得る方法は、引き上げ法またはブリッジマン法である、磁性ガーネット単結晶の製造方法。

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