JPS6272596A - Oxide garnet single crystal - Google Patents

Oxide garnet single crystal

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JPS6272596A
JPS6272596A JP21124585A JP21124585A JPS6272596A JP S6272596 A JPS6272596 A JP S6272596A JP 21124585 A JP21124585 A JP 21124585A JP 21124585 A JP21124585 A JP 21124585A JP S6272596 A JPS6272596 A JP S6272596A
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JP
Japan
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crystal
single crystal
garnet
lattice constant
formula
Prior art date
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Pending
Application number
JP21124585A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Arata Sakaguchi
阪口 新
Toshihiko Riyuuou
俊彦 流王
Satoru Fukuda
悟 福田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shin Etsu Chemical Co Ltd
Original Assignee
Shin Etsu Chemical Co Ltd
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Publication date
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Publication of JPS6272596A publication Critical patent/JPS6272596A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PURPOSE:To provide a substrate single crystal for epitaxial growth of a garnet structural body of which cations consist of 4 kinds of oxides of Y, Mg, Zr and Ga and which has good productivity. CONSTITUTION:The cations of this single crystal consist of 4 kinds of the oxides of Y, Mg, Zr and Ga and the crystal structure thereof is expressed by, for example, the formula Y3MgZrGa3O12. The crystal lattice constant thereof is 12.42-12.45Angstrom and the segregation coefft. is approximately 1. Since the singe crystal has the above-mentioned crystal lattice constant and segregation coefft., the single crystal is useful as the garnet substrate single crystal for epitaxial growth of the bismuth-substd. magnetic garnet film expressed by the formula (BiRe)3(FeM)5O12 and since the single crystal has excellent light transmittability, this crystal is useful as the substrate for an optical isolator as well. This single crystal is easily produced without twisting of the single crystal in the pulling-up stage by weighing respective raw materials to obtain the above-mentioned compsn., then housing the raw materials into a crucible and pulling up the crystal by a Czochralski process after heating and melting the crystal at 1,700-1,800 deg.C.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、文献未載の新規な酸化物ガーネット単結晶、
特には陽イオンがY、Mg、Zr、Gaの4種の酸化物
からなる磁気バブル素子、磁気光学素子用として有用と
される酸化物ガーネット単結晶に関するものである。
[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention is directed to a novel oxide garnet single crystal that has not been published in any literature,
In particular, the present invention relates to an oxide garnet single crystal that is useful for magnetic bubble elements and magneto-optical elements in which cations are made of four types of oxides: Y, Mg, Zr, and Ga.

冷部類鉄系の磁性ガーネットfJj膜をエピタキシャル
成長させたガーネット構造をもつ磁性膜は磁気バブル素
子、磁気光学素子として使用されているが、このエピタ
キシャル成長させるガーネット構造体についてはバブル
メモリーにおける異方性磁界を大きくすること、また磁
気光学用としてはファラデイ回転1駈を大きくすること
からBi。
A magnetic film with a garnet structure obtained by epitaxially growing a cold iron-based magnetic garnet fJj film is used as a magnetic bubble element and a magneto-optical element. Bi because it is necessary to increase the size, and for magneto-optical applications, it is necessary to increase the Faraday rotation speed.

R、F e 、 M (ここにRはCa、Yまたはa)
:類元素の1種以上、MはGa、Allなどの鉄と置換
可俺な金属元素)の陽イオン酸化物からなるビスマス置
換磁性ガーネット膜の使用が良好な結果を示すものとさ
れ、このものの使用が注目されている。
R, Fe, M (here R is Ca, Y or a)
It is said that the use of a bismuth-substituted magnetic garnet film made of a cationic oxide of one or more of the following elements (M is a metal element that can be substituted with iron such as Ga or All) shows good results. Its use is attracting attention.

他方、このガーネット構造をとるエピタキシャル成長層
を作るために使用されるガーネット基板単結晶について
は l)結晶の格子定数がガーネット構造をもつ磁性膜と約
0.O1λの範囲内で合致していること、2)結晶を構
成する元素の偏析係数が1に近い偵す飢ス、y)+ が要求されるのであるが上記したビスマス置換磁性ガー
ネット膜の格f2数が12.42〜12.45λとされ
るのに対し、従来この種の基板単結晶とされたガドリニ
ウム・ガリウム・ガーネット(GGG)、ネオジム・ガ
リウム・ガーネット(NGO)などはその格子定数が、
それぞれ12.38.12.51λであることから、こ
のビスマス置換磁性ガーネット膜をエピタキシャル成長
させるための最適な基板とはいえず、従来公知の各種の
基板単結晶の中ではその格子定数が12.43であるサ
マリウム・ガリウム・ガーネット (SGG)だけがこ
れに使用されるものとごれ、実用化されている。 しか
し、このSGGについてはチョクラルスキー法における
単結晶用−1−げ時に結晶がねじれるという現象が起る
ためにその製造が難しく、生産性がわるいという欠点が
あるため、これに代る基板単結晶の提供が求められてい
る。
On the other hand, regarding the garnet substrate single crystal used to make the epitaxial growth layer having this garnet structure, l) the lattice constant of the crystal is about 0. 2) the segregation coefficient of the elements constituting the crystal is close to 1, and y) + is required. The lattice constant of conventional single crystal substrates of this type, such as gadolinium gallium garnet (GGG) and neodymium gallium garnet (NGO), is 12.42 to 12.45λ.
12.38 and 12.51λ, respectively, so it cannot be said that it is an optimal substrate for epitaxial growth of this bismuth-substituted magnetic garnet film, and its lattice constant is 12.43 among various conventionally known single crystal substrates. Only samarium gallium garnet (SGG) is used for this purpose and has been put into practical use. However, this SGG has the disadvantage that it is difficult to manufacture and has low productivity due to the phenomenon that the crystal is twisted during single crystal growth in the Czochralski method. Crystals are requested.

〔発明の構成〕 本発明はこのような不利を伴なわない生産性のよい、ガ
ーネット構造体をエピタキシャル成長させるための基板
単結晶に関するもので、これは陽イオンがY、Mg、Z
r、Gaの4種からなる酸化物ガーネッl結晶に関する
ものである。
[Structure of the Invention] The present invention relates to a substrate single crystal for epitaxially growing a garnet structure, which does not have such disadvantages and has good productivity.
The present invention relates to an oxide garnet crystal consisting of four types: r, Ga.

すなわち、本発明者らは前記したエピタキシャル成長層
としf(F)Bi 、R,Fe、M、(R,Mは前記に
同じ)の陽イオン酸化物からなるビスマス置換磁性ガー
ネット膜の結晶格子定数である12.42〜12.45
Aに近似する格子定数をもつガーネット構造体について
種々検討した結果、Y−記した陽イオンがY、Mg、Z
r、Gaの4種からなる酸化物ガーネット単結晶が格子
定数12.43Aとされるものであることを見出すと共
に、このものは偏析係数が略々lであり、チョクラルス
キー法による単結晶引上げ時にも結晶がねじれることも
なく、容易に引上げることができるので生産性もすぐれ
たものであるということを確認して本発明を完成させた
That is, the present inventors determined the crystal lattice constant of the bismuth-substituted magnetic garnet film made of cationic oxides of f(F)Bi, R, Fe, M, (R, M are the same as above) as the epitaxial growth layer described above. 12.42-12.45
As a result of various studies on garnet structures with lattice constants similar to A, we found that the cations marked Y- are Y, Mg, Z
It was discovered that an oxide garnet single crystal consisting of four species, r, Ga, has a lattice constant of 12.43A, and that the segregation coefficient of this crystal is approximately l. The present invention was completed after confirming that the crystals do not sometimes become twisted and can be easily pulled up, resulting in excellent productivity.

本発明の酸化物ガーネット単結晶は陽イオンとしてイツ
トリウム(Y)、マグネシウム(Mg)、ジルコニウム
(Zr)、ガリウム(G a)の4元素を構成t?Jと
するものであるが、このものはその結晶から切出したウ
ェーハを熱リン酸でエッチソゲしてからその格子定数を
測定したところ12.429Aであッテ前記したBi、
R,Fe。
The oxide garnet single crystal of the present invention consists of four elements as cations: yttrium (Y), magnesium (Mg), zirconium (Zr), and gallium (Ga). A wafer cut from the crystal was etched with hot phosphoric acid and its lattice constant was measured to be 12.429A.
R, Fe.

Mの陽イオン酸化物からなる、例えば式(Bi Re 
)  (Fe M)sot2’t’示されるビスマス置
換磁性ガーネット膜の格子定数12.42〜12.45
λと略々一致するものであるし、この偏析係数がこの結
晶の屯:許分析値からY、Mg。
consisting of a cationic oxide of M, for example, the formula (Bi Re
) (FeM)sot2't' Lattice constant of bismuth-substituted magnetic garnet film 12.42-12.45
This is approximately the same as λ, and this segregation coefficient is Y and Mg based on the analytical value of this crystal.

Zr、Gaのいずれについてもt、oo 〜t、。t, oo ~ t, for both Zr and Ga.

2とされるものであることから、b記したビスマス置換
磁性ガーネット膜をエピタキシャル成長させるためのガ
ーネット基板単結晶として最適とされるものであること
が確認された。
2, it was confirmed that this is the optimum garnet substrate single crystal for epitaxially growing the bismuth-substituted magnetic garnet film described in b.

本発明の酸化物ガーネッ)l結晶は上記したように陽イ
オンとしてY 、 Mg、Zr、G aの4種からなる
ものとされるが、このものはガーネット構造の(C)サ
イトにY、[alサイトにMg、Zr。
As mentioned above, the oxide garnet crystal of the present invention is made up of four types of cations: Y, Mg, Zr, and Ga, but this crystal has Y, [ Mg, Zr on al site.

ので、これには弐Y3Mg Zr Ga30.2で示さ
れる結晶構造をもつものが例示されるが、このちのはY
2O3、MgO,ZrO2およびGa2O3の所定績を
るつぼ中に仕込んで高周波誘導で加熱溶融したのち、こ
の融液からチョクラルスキー法で単結晶を引」−げるこ
とによって製造される。
Therefore, an example of this is one with the crystal structure shown as 2Y3MgZrGa30.2, but in this case, Y3MgZrGa30.2 is an example.
It is produced by charging a predetermined amount of 2O3, MgO, ZrO2, and Ga2O3 into a crucible, heating and melting it using high-frequency induction, and then pulling a single crystal from this melt using the Czochralski method.

すなわち1本発明者らは例えば前記した式Y MgZr
Ga5O12で示される酸化物ガーネット単結晶の工業
的な製造方法について種々検討し、これにはチョクラル
スキー法による単結晶用1−げ法によることがよいと判
断し、この諸条件についての研究を進めた。ここに使用
されるY  O、MgO1Zr02.Ga2O3はでき
るだけ高純度のものとすることがよく、したがってこれ
らはいずれも好ましくは純度が99.9%以l二のもの
とされる。これらの配合比は目的とする単結晶が例えば 式Y  MgZrGa5O12とされるものであること
からY2O336〜39モル%、MgO11〜14モル
%、Z r0211−14モル%、Ga20316〜3
9モル%となるようにする必要がある。これらはそれぞ
れを秤量後るつぼ内に収納して溶融されるが、このるつ
ぼはこれらの溶融温度が1.700℃以上とされるので
イリジウム製のものとすればよい、このものの溶融は常
法にしたがって高周波誘導によって行えばよく、したが
ってこれには例えば7KHz、l0KWの高周波を用い
てこれらを1,700〜l、800℃に加熱して溶融さ
ければよい。
That is, the present inventors have, for example, the above formula Y MgZr
We investigated various industrial methods for manufacturing oxide garnet single crystals represented by Ga5O12, and determined that the single-crystal Czochralski method would be suitable for this purpose, and we conducted research on these conditions. I proceeded. Y O, MgO1Zr02. used here. Ga2O3 should be as pure as possible, and therefore all of these preferably have a purity of 99.9% or higher. Since the target single crystal is, for example, of the formula Y MgZrGa5O12, these compounding ratios are Y2O336-39 mol%, MgO11-14 mol%, Z r0211-14 mol%, Ga20316-3.
It is necessary to adjust the content to 9 mol%. After each of these is weighed, they are placed in a crucible and melted, but since the melting temperature of these crucibles is 1.700°C or higher, it is sufficient to use one made of iridium. Therefore, it is sufficient to perform this by high frequency induction, for example, by using a high frequency of 7 KHz, 10 KW, and heating these to 1,700 to 1,800 DEG C. to melt them.

[J的とする?i結晶はこの溶融物からのチョクラルス
キー法による単結晶引上げによって行えばよいが、この
場合の雰囲気は酸素を1〜5%またはCO2ガスを25
〜100%含有する窒素ガス、アルゴンガス雰囲気とす
ればよい、また、単結晶引上げに使用される種子結晶は
目的とする単結晶と同質の式例えば式Y3MgZrGa
3012で示されるものとすればよいが、これはガドリ
ニウム・ガリウム・ガーネット(GGG)などのような
ガーネット型結晶体の単結晶としてもよく、この場合の
単結晶の引上げ速度は1〜20mm/時とすればよい。
[J-like? The i-crystal can be produced by pulling a single crystal from this melt using the Czochralski method, but the atmosphere in this case is 1 to 5% oxygen or 25% CO2 gas.
It is sufficient to use a nitrogen gas or argon gas atmosphere containing ~100%, and the seed crystal used for pulling the single crystal has the same formula as the target single crystal, for example, the formula Y3MgZrGa.
3012, but it may also be a single crystal of a garnet-type crystal such as gadolinium gallium garnet (GGG), and in this case, the pulling speed of the single crystal is 1 to 20 mm/hour. And it is sufficient.

なお、この単結晶の引上げではSGGのように引1−げ
昨に単結晶がねじれるということがなく、この引りげは
極めて容易に行うことができ、引上げ終r後に単結晶を
融体から引離し、冷却すればII的とする単結晶を得る
ことができる。
In addition, in this pulling of the single crystal, unlike SGG, the single crystal does not twist during pulling, and this pulling can be performed extremely easily. By separating and cooling, a single crystal of type II can be obtained.

このようにして得られた本発明の例えば式Y  MgZ
rGa301.、t’示される単結晶は。
For example, the formula Y MgZ of the present invention thus obtained
rGa301. , t' is the single crystal shown.

市記したようにその結晶格子定数が約12.43λであ
り、偏析係数も略々lであるということから、式(Bi
Re)   (FeM)50.2−t’示されるビスマ
ス置換磁性ガーネット膜をエピタキシャル成長させるた
めのガーネット)^版型結晶として有用とされるもので
あるが、これはまた光透過性にもすぐれているので光ア
イソレーター川の基板としても有用とされる。
As stated above, the crystal lattice constant is approximately 12.43λ and the segregation coefficient is approximately l, so the formula (Bi
Garnet for epitaxially growing the bismuth-substituted magnetic garnet film shown in Re) (FeM)50.2-t')^ It is said to be useful as a plate-type crystal, but it also has excellent optical transparency. Therefore, it is also useful as a substrate for optical isolators.

つぎに本発明の¥濃側をあげる。Next, I will discuss the ¥dense side of the present invention.

実施例 1 外径50mm、高さ50mmのイリジウムるつぼ中に、
Y2O3194,6g、(0,86モル) 、Mg02
3−15g (0,57モル)ZrO270,78g 
(0,57モル)およびGa203161.5g (0
,86モル)を秤取して仕込み、窒素ガス98%、酸素
ガス2%の雰囲気ガス中で高周波誘導で1,750℃に
加熱して溶解させ、この融液に5mm角のGGG種子結
晶を浸清し、これを1Orpmの回転下に5〜6m m
 7時の速度で引上げて単結晶用りげを行なったところ
86.3gの透明な結晶が得られた。
Example 1 In an iridium crucible with an outer diameter of 50 mm and a height of 50 mm,
Y2O3194.6g, (0.86 mol), Mg02
3-15g (0.57 mol) ZrO270.78g
(0,57 mol) and Ga203161.5g (0
, 86 mol) was weighed and charged, heated to 1,750°C by high frequency induction in an atmosphere of 98% nitrogen gas and 2% oxygen gas to melt it, and 5 mm square GGG seed crystals were added to the melt. 5 to 6 mm under rotation of 1 Orpm.
When the crystal was pulled at a speed of 7:00 to perform single crystal cutting, 86.3 g of transparent crystal was obtained.

つぎにこの結晶の上部と下部から6約1gの試料を切出
し、高周波結合誘導プラズマ発光分析装置で各成分全屈
元素について7驕分析を行なったところ、つぎの第1表 第1表 に示したとおりの結果が得られたので、このものは次式 %式%:8 の結晶構造をもつものであることが確認されたが、この
1皆分析結果にもとづいてこれら各金属の偏析係数を算
出したところ、これらは第2表に示したとおりであIJ
、いずれも略々21であることが確認された。
Next, about 1 g of samples were cut out from the upper and lower parts of this crystal, and a 7-dimensional analysis was performed on each component total element using a high-frequency coupled induction plasma emission spectrometer. The results are shown in Table 1 below. As the following results were obtained, it was confirmed that this material had the crystal structure of the following formula % formula %: 8. Based on the results of this total analysis, the segregation coefficients of each of these metals were calculated. As a result, these are shown in Table 2, and IJ
It was confirmed that both of them were approximately 21.

第2表 また、この結晶についてはこの結晶上部および結IIr
181gJL−P、I+−(Je1++−/F−^〒−
1、噛トーロItl+j+lJJ■。
Table 2 also shows the upper part of this crystal and the crystal IIr
181gJL-P, I+-(Je1++-/F-^〒-
1. Biting Toro Itl+j+lJJ■.

リン酸でエツチング後、格子定数精密測定装置・APL
2 (理学電機社製商品名)を用い、ポンド法でその格
子定数をA!定したところ、これはいずれも12.42
9Aの値を示した。
After etching with phosphoric acid, lattice constant precision measurement device/APL
2 (product name manufactured by Rigaku Denki Co., Ltd.) and its lattice constant is A! using the Pond method. As a result, both of these are 12.42
It showed a value of 9A.

実施例 2〜4 L記した実施例1における金属酸化物の配合?をつぎの
第3表に示した晴としたほかは実施例1と同様に処理し
たところ、この場合にも透明な単結晶が11)られ、こ
れらは、その分析結果から式Y MgZrGa5O12
で示される結晶構造をもつものであった。
Examples 2 to 4 Blend of metal oxides in Example 1 described in L? When treated in the same manner as in Example 1, except that the crystals were cleared as shown in Table 3 below, transparent single crystals were obtained (11), and from the analysis results, these had the formula Y MgZrGa5O12
It had the crystal structure shown below.

第3表 実施例 5 1、記した実施例1における金属酸化物の溶融、この融
液からの単結晶用1−げにおけるカス雰囲気を窒素カス
50%、CO2ガス50%のものとしたほかは実施例1
と同様に処理したところ、この場合にも実施例1と同様
な結果が得られた。
Table 3 Example 5 1. Except that the gas atmosphere in the melting of the metal oxide in the described Example 1 and the production of a single crystal from this melt was 50% nitrogen gas and 50% CO2 gas. Example 1
When treated in the same manner as in Example 1, the same results as in Example 1 were obtained in this case as well.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、陽イオンがY、Mg、Zr、Gaの4種からなる酸
化物ガーネット単結晶。 2、格子定数が12.42〜12.45Åの範囲にある
特許請求の範囲第1項記載の酸化物ガー ネット単結晶。 3、結晶構造がY_3MgZrGa_3O_1_2で示
されるものである特許請求の範囲第1項記載 の酸化物ガーネット単結晶。
[Claims] 1. An oxide garnet single crystal containing four types of cations: Y, Mg, Zr, and Ga. 2. The oxide garnet single crystal according to claim 1, which has a lattice constant in the range of 12.42 to 12.45 Å. 3. The oxide garnet single crystal according to claim 1, which has a crystal structure of Y_3MgZrGa_3O_1_2.
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