WO2005019507A1 - 磁性ガーネット単結晶及びｙｉｇデバイス - Google Patents

磁性ガーネット単結晶及びｙｉｇデバイス Download PDF

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Takashi Watanabe
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    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a magnetic garnet single crystal and a YIG device, and in particular, to a magnetic garnet single crystal having a small magnetic resonance half width and a large critical power at which resonance occurs, and a YIG device using such a magnetic garnet single crystal. About the device.
  • a YIG (yttrium 'iron' garnet) device As an oscillator or a filter in a microwave frequency band, a YIG (yttrium 'iron' garnet) device is known.
  • the YIG device is a device for tunable resonators and tunable oscillators in the microwave band, utilizing the extremely high Q value of the trimetallic ferrimagnetic resonance of yttrium. Iron and garnet, a type of ferrite.
  • the YIG device is used for a local oscillator or a filter of a measuring instrument such as a spectrum 'analyzer or a network' analyzer, and is an important component that determines the performance of the measuring instrument.
  • a central element constituting a YIG device is a YIG crystal.
  • the YIG crystal is composed of a magnetic garnet material whose basic composition is represented by the chemical formula of YFe ⁇ .
  • a half width of a magnetic resonance spectrum (hereinafter, referred to as a magnetic resonance half width) ⁇ is required to be small.
  • the magnetic resonance half width ⁇ ⁇ of a magnetic garnet material is generally
  • a Hi is the magnetic resonance half width ⁇ of a single crystal having the same composition, and is a value unique to the material.
  • ⁇ ⁇ is the contribution of the demagnetizing field around the pores and the different phases, and is the influence of the pores present in the sintered body.
  • a Ha is a contribution by an internal magnetic field based on the magnetocrystalline anisotropy, and is inevitably generated in a polycrystalline material.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 09-270605
  • Patent Document 2 Japanese Patent Application Laid-Open No. 06-236814
  • Patent Document 3 JP 08-165197 A
  • Patent Document 4 JP-A-10-233308
  • the output power of the YIG device can be increased.
  • a certain threshold limit power
  • the rate of increase of the output power decreases, and eventually a phenomenon occurs in which the output power gradually approaches a certain value (resonance saturation phenomenon).
  • the resonance saturation phenomenon shows that the Q value deteriorates with an increase in the input power. This is because the spin precession becomes non-uniform and the loss increases. Further, as the input power is further increased, particularly as the input power is increased, the magnetic resonance spectrum becomes broader, and resonance occurs even at half the resonance frequency.
  • the resonance saturation phenomenon occurs in an element having a smaller magnetic resonance half width ⁇ , and is immediately important particularly in a YIG device using a single crystal material having a smaller magnetic resonance half width ⁇ ⁇ ⁇ .
  • a YIG device using a single crystal material having a smaller magnetic resonance half width ⁇ ⁇ ⁇ theretofore, sufficient investigation and countermeasures against the resonance saturation phenomenon of the YIG crystal have not been performed.
  • An object of the present invention is to provide a magnetic garnet single crystal having a small magnetic resonance half width and a large critical power at which resonance saturation occurs, and a YIG device using such a magnetic garnet single crystal.
  • a magnetic garnet single crystal comprising a single crystal of gadolinium-substituted yttrium′iron * garnet in which part of yttrium is replaced with gadolinium.
  • the composition of the gadolinium-substituted yttrium 'iron * garnet is Y Gd Fe O, and the composition ratio X of gadolinium is 0 ⁇ ⁇ 0.1.
  • a part of iron may be replaced by at least one element selected from gnolep- es containing a trivalent transition metal element and a Group IV element.
  • the composition of the gadolinium-substituted yttrium 'iron' garnet is Y Gd Fe MO, and the composition ratio y of the iron substitution element M is 0 ⁇
  • the range may be y ⁇ l.5.
  • a YIG crystal characterized in that a single crystal of yttrium 'iron' garnet in which part of yttrium is replaced with gadolinium is formed into a spherical shape. Is done.
  • a YIG crystal in which a single crystal of yttrium'iron * garnet in which yttrium is partially substituted with gadolinium is formed into a spherical shape, and a magnetic field is applied to the YIG crystal. And a magnetic field applying means for applying the electric field to resonate the YIG crystal body.
  • a YIG crystal in which a single crystal of yttrium'iron * garnet in which a part of yttrium is replaced with gadolinium is formed into a spherical shape, and a magnetic field is applied to the YIG crystal.
  • a magnetic field applying means for applying a magnetic field to resonate the YIG crystal.
  • a method for producing a magnetic garnet single crystal characterized in that a single crystal of yttrium'iron * garnet in which part of yttrium is replaced with gadolinium is grown by a TSFZ method. A method is provided.
  • the YIG single crystal in which part of yttrium is replaced by gadolinium constitutes the YIG crystal, so that the magnetic resonance half width ⁇ ⁇ can be reduced and the critical power at which resonance saturation occurs is increased. be able to.
  • the YIG crystal is Y Gd Fe O
  • FIG. 1 is a schematic sectional view showing the structure of a YIG device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a configuration diagram of an oscillation circuit in a YIG device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a graph showing a relationship between a limit power and a frequency.
  • FIG. 4 is a graph showing the temperature dependence of the magnetic resonance half width.
  • FIG. 5 is a graph showing a relationship between a critical power and a gadolinium composition ratio and a relationship between a magnetic resonance half width and a gadolinium composition ratio.
  • FIG. 6 is a schematic sectional view showing an infrared concentrated heating furnace used for crystal growth by the TSFZ method.
  • FIG. 7 is a graph showing variations in the half-width of magnetic resonance in a YIG crystal formed by a TSFZ method and a YIG crystal formed by a flux method.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing a structure of a YIG device according to a modification of one embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of the YIG device according to the present embodiment
  • FIG. 2 is a configuration diagram of an oscillation circuit in the YIG device according to the present embodiment
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between limit power and frequency
  • Fig. 4 is a graph showing the temperature dependence of the magnetic resonance half-width
  • Fig. 5 is a graph showing the relationship between the critical power and the gadolinium composition ratio, and the relationship between the magnetic resonance half-width and the gadolinium composition ratio
  • Fig. 6 is obtained by the TSFZ method.
  • FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing an infrared concentrated heating furnace used for crystal growth
  • FIG. 7 is a YIG crystal formed by a TSFZ method and a YIG crystal formed by a flux method.
  • 3 is a graph showing the variation of the half width of magnetic resonance in a crystal.
  • a central core 12 is provided inside the pot-shaped magnetic core 10.
  • a plate-shaped magnetic core 14 is provided above the pot-shaped magnetic core 10, and the opening of the pot-shaped magnetic core 10 is closed by the plate-shaped magnetic core 14.
  • An excitation coil 26 is wound around the center core 12.
  • a DC voltage can be externally applied to the exciting coil 26 via a power supply terminal 28.
  • YIG sphere 16 (Hereinafter referred to as YIG sphere) 16 are arranged.
  • the YIG sphere 16 is attached to one end of a support rod 18 parallel to the inner surface of the plate-shaped magnetic core 14.
  • the other end of the support rod 18 is fixed to the inner surface of the plate-shaped magnetic core 14 by a fixture 20.
  • an integrated circuit board 22 is fixed on the inner surface of the plate-shaped magnetic core 14.
  • a semicircular coupling coil 24 is mounted on the integrated circuit board 22 so that the YIG sphere 16 is located at the center (see FIG. 1 (b)).
  • an oscillation circuit as shown in FIG. 2 is formed on the integrated circuit board 22, for example.
  • a resonator 32 is constituted by the YIG sphere 16 and the exciting coil 26, and a coupling coil 24 is magnetically coupled to the YIG sphere 16.
  • An emitter electrode of a transistor 34 is connected to the coupling coil 24.
  • the base electrode of the transistor 34 is grounded via the inductor 36.
  • a matching device 38 is connected to the collector electrode of the transistor 34.
  • the output of the matching unit 38 is the output of the oscillator.
  • the integrated circuit board 22 is connected to a coaxial connector 30 provided outside the plate-like magnetic core 14 so that signals can be input and output to and from the integrated circuit board 22.
  • a DC magnetic field is applied to the YIG sphere 16 by applying a DC voltage from the outside through the power supply terminal 28 and flowing a DC current to the exciting coil 26.
  • This applied magnetic field causes the YIG sphere 16 to resonate. Since the resonance frequency of the YIG sphere 16 is proportional to the strength of the magnetic field applied to the YIG sphere 16, a desired resonance frequency can be obtained by appropriately controlling the current flowing through the exciting coil 26.
  • the YIG sphere 16 constitutes a transmitting circuit together with the active circuit on the integrated circuit board 22 magnetically coupled by the coupling coil 24. By changing the magnetic field applied to the YIG sphere 16, the transmission frequency can be changed.
  • the oscillation output can be output from the coaxial connector 30 attached to the plate-shaped magnetic core 14 to the outside.
  • the YIG device is configured such that the YIG sphere 16, which is a central element constituting the YIG device, is a YIG single crystal in which part of yttrium (Y) is replaced by gadolinium (Gd).
  • the main feature is that it is.
  • the YIG sphere 16 is made of a material represented by a composition of YGdFeO. Partial replacement of yttrium
  • a part of iron (Fe) may be replaced by a trivalent transition metal element or a group III element (denoted by M), and may be constituted by a material represented by a composition of Y Gd Fe MO.
  • M trivalent transition metal element or a group III element
  • a part of iron may be replaced by a transition metal element or a group m element.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between the limit power and the frequency.
  • the unit of the vertical axis, dBm corresponds to the exponential notation of mW, _10dBm force SO.
  • LmW, OdBm is lmW, lOdBm force Om W.
  • FIG. 3 shows the measurement results of a device in which a YIG crystal having a saturation magnetization of 800 Gauss is added in a spherical shape of 300 / ⁇ .
  • FIG. 4 is a graph showing the temperature dependence of the magnetic resonance half width ⁇ .
  • ⁇ ⁇ tends to increase sharply with increasing temperature.
  • the YIG crystal containing gadolinium As the gadolinium composition ratio X increases, the increasing rate of the magnetic resonance half width ⁇ with respect to the temperature decreases.
  • the YIG crystal (hata mark) with a gadolinium composition ratio X of 0.05 the temperature dependence of the magnetic resonance half-width ⁇ H is hardly observed, and the temperature dependence in the general operating temperature range of the YIG device is small. The characteristics are almost flat in a certain room temperature range of about 400K.
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the critical power and the gadolinium composition ratio and the relationship between the magnetic resonance half width and the gadolinium composition ratio.
  • Hata indicates the relationship between the limit power and the gadolinium composition ratio
  • ⁇ indicates the relationship between the magnetic resonance half width and the gadolinium composition ratio.
  • the magnetic resonance half width ⁇ becomes four times or more the value when no gadolinium is contained, which is not preferable.
  • the YIG sphere 16 used in the YIG device desirably has a large critical power and a small magnetic resonance half width.
  • both the critical power and the half width of the magnetic resonance increase as the gadolinium composition ratio X increases. Therefore, it is desirable that the gadolinium composition ratio X is appropriately selected according to the desired characteristics of the YIG sphere 16 by weighing the limit power and the half width of the magnetic resonance.
  • GdFe ⁇ it is desirable to set the gadolinium composition ratio X in the range of 0 ⁇ x ⁇ 0.1. It is further desirable to set the value near x 0.05 where fluctuation of the magnetic resonance half width ⁇ is extremely small in a general operating temperature range.
  • the YIG sphere 16 used in the YIG device according to the present embodiment has a structure in which, in addition to the partial replacement of yttrium with gadolinium, a part of iron is replaced with at least one trivalent transition metal element or a group III element (
  • trivalent transition metal element or the group III element element that replaces iron aluminum (A1), gallium (Ga), or the like can be used. By substituting a part of iron with these elements, saturation magnetization can be appropriately controlled.
  • the composition ratio y of the element M is desirably set to 0 ⁇ y ⁇ 1.5.
  • the reason why the composition ratio y of the element M is set to y> l.5 is that when the composition ratio y exceeds 1.5, the magnetic order transition temperature (Curie temperature) becomes lower than room temperature, and the material does not become a magnetic material in the operating temperature range. It is because. Also, even if the element is cooled and kept at or below the Curie temperature, it cannot be used as a resonance element because of the large amount of addition and a large magnetic resonance half width ⁇ H (because the Q value is low).
  • the YIG spheres 16 according to the present embodiment desirably grow crystals by the TSFZ (Traveling Solvent Floating Zone) method.
  • the flux method is a method in which a crystal material and a flux (flux) are put into a crucible and melted, and then slowly cooled or volatilized to grow a single crystal.
  • a crystal material and a flux flux
  • the distribution of the additive may be generated inside the crystal due to the fluctuation of the temperature and the composition during the growth, and it is difficult to control the trace amount of the additive. Therefore, it is difficult to grow a single crystal material containing a small amount of gadolinium, such as the YIG sphere 16 used in the YIG device according to the present embodiment, by the flux method.
  • the TSFZ method a crystal raw material rod in which a desired amount of an additive is mixed in advance is melted and seeded. This is an epitaxial growth method on a crystal, and it is possible to grow a single crystal containing a small amount of an additive. Therefore, the TSFZ method is suitable for growing a single crystal material containing a small amount of gadolinium, such as the YIG sphere 16 used in the YIG device according to the present embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an infrared concentrated heating furnace used for crystal growth by the TSFZ method.
  • the raw material rod 42 held by the raw material support 40 and the seed crystal 46 held by the seed crystal support 44 are supported on the same axis.
  • the crystal raw material rod 42 and the seed crystal 46 are supported by an upper main shaft 48 and a lower main shaft 50, respectively, and can be moved in the axial direction.
  • the raw material rod 42 and the seed crystal 46 are arranged in a quartz glass tube 52.
  • the quartz glass tube 52 is provided with an atmosphere gas inlet 54 and an atmosphere gas outlet 56, and by flowing a predetermined atmosphere gas therebetween, the inside of the quartz glass tube 52 can be controlled to a desired atmosphere. It has become.
  • An elliptical mirror 58 is provided around the quartz glass tube 52 so as to surround the quartz glass tube 52. At one focal point of the ellipsoidal mirror 58, a halogen lamp 60 is arranged. The other focal point of the ellipsoidal mirror 58 is arranged so that the tip of the crystal raw material rod 42 is positioned so that the heat ray emitted from the halogen lamp 60 is irradiated on the tip of the crystal raw material rod 42. It has become.
  • Irradiation is carried out to form a molten zone 62 above the raw material rod 42.
  • the seed crystal 46 and the crystal raw material rod 42 are gradually moved downward while rotating the seed crystal 46, whereby the molten material in the melting zone 62 is moved.
  • the growth process of the single crystal can be monitored by the CCD camera 64.
  • a single crystal having a desired composition can be grown by appropriately selecting the composition of the crystal raw material rod 42 and the molten composition in the molten zone 62.
  • the contamination of impurities can be greatly reduced as compared with the flux method or the like, and the additives to be mixed can be mixed with high accuracy even in a small amount.
  • FIG. 7 shows a YIG crystal formed by the TSFZ method and a YIG crystal formed by the flux method.
  • 3 is a graph showing the variation of the half width of magnetic resonance in a crystal. The horizontal axis shows the value of the half width of the magnetic resonance, and the vertical axis shows the ratio to the whole.
  • the YIG crystal formed by the TSFZ method has a smaller magnetic resonance half width ⁇ ⁇ than the YIG crystal formed by the flux method.
  • a YIG crystal having stable characteristics with small variations in the magnetic resonance half width ⁇ can be formed.
  • the TSFZ method uses the single-crystal YIG sphere used in the YIG device according to the present embodiment.
  • the YIG crystal is composed of the YIG single crystal in which a part of yttrium is replaced by gadolinium, it is possible to increase the critical power at which resonance saturation occurs. Further, when the YIG crystal is Y Gd Fe O and the composition ratio x of gadolinium is 0,
  • the magnetic resonance half width ⁇ in the general operating temperature range of the YIG device can be made substantially constant.
  • the YIG tuned oscillator has been described as an example of the YIG device to which the YIG crystal of the present invention is applied, but it is also possible to apply to other YIG devices.
  • the present invention may be applied to other YIG devices such as a YIG tuning filter.
  • the YIG tuning filter includes a YIG sphere 16, an electromagnet 70 for applying a predetermined magnetic field to the YIG sphere 16, an input coupling loop 66 magnetically coupled to the YIG sphere 16, and an output loop. And a force-coupled norepe 68.
  • the YIG crystal need not necessarily be spherical.
  • the resonance frequency f depends on 4 ⁇ Ms, and the temperature change of the saturation magnetization (Ms) directly changes the temperature of the resonance frequency, so it is necessary to take measures to stabilize the temperature.
  • Ms saturation magnetization
  • flat YIG crystals can also be used.
  • the YIG crystal according to the present invention has a small magnetic resonance half width ⁇ H and a small temperature dependence. It also has a high marginal power. Therefore, it is extremely useful for application to YIG devices requiring high oscillation output and a wide band, and spectrum analyzers and network analyzers using such YIG devices.

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Abstract

　イットリウムの一部をガドリニウムに置換したイットリウム・鉄・ガーネットの単結晶が球状に成形されたＹＩＧ結晶体１６と、ＹＩＧ結晶体１６に磁界を印加してＹＩＧ結晶体１６を共振する磁界印加手段２６とを有する共振器を有している。これにより、磁気共鳴半値幅が小さく、共鳴飽和が生じる限界電力が大きいＹＩＧデバイスを提供することができる。  

Description

明 細 書
磁性ガーネット単結晶及び YIGデバイス
技術分野
[0001] 本発明は、磁性ガーネット単結晶及び YIGデバイスに係り、特に、磁気共鳴半値幅 が小さく共鳴飽和が生じる限界電力が大きい磁性ガーネット単結晶及びこのような磁 性ガーネット単結晶を用いた YIGデバイスに関する。
^景技術
[0002] マイクロ波周波数帯における発振器やフィルタとしては、 YIG (イットリウム '鉄'ガー ネット）デバイスが知られている。 YIGデバイスは、フェライトの一種であるイットリウム. 鉄 ·ガーネットの 3金属フェリ磁性共鳴の Q値が非常に高い特性を利用した、マイクロ 波帯の可変同調共振器や可変同調発振器用のデバイスである。
[0003] YIGデバイスは、スペクトラム 'アナライザやネットワーク 'アナライザ等の計測器の口 一カル発振器やフィルタに用いられており、それら計測器の性能を左右する重要な 構成部品となっている。
[0004] YIGデバイスを構成する中心的な素子が、 YIG結晶体である。 YIG結晶体は、そ の基本組成が Y Fe〇 の化学式で表される磁性ガーネット材料からなり、この結晶
3 5 12
が球状に加工されたものである。
[0005] YIGデバイスでは、 YIG結晶体の特性として、磁気共鳴スペクトルの半値幅（以下、 磁気共鳴半値幅という） Δ Ηが小さいことが要求される。磁性ガーネット材料の磁気 共鳴半値幅 Δ Ηは、一般に、
Δ Η = Δ Hi + Δ Hp + Δ Ha
として表される。ここで、 A Hiは、同一組成における単結晶の磁気共鳴半値幅 Δ Ηで あり、材料固有の値である。 Δ Ηρは、気孔や異相周辺での反磁場による寄与分であ り、焼結体中に存在する気孔の影響分である。また、 A Haは、結晶磁気異方性に基 づく内部磁場による寄与分であり、多結晶材料では必然的に生じるものである。
[0006] また、 YIG結晶体の結晶格子に欠陥が存在すると、 YIG結晶体内部のスピンの歳 差運動が一様でなくなってしまい、それは Q値の悪化、スプリアスの発生、寄生共振 の発生等、 RF特性の悪化として現れる。
[0007] したがって、磁気共鳴半値幅 Δ Ηが小さいことが要求される YIGデバイスでは、結 晶性に優れた磁性ガーネット単結晶により YIG結晶体を構成することが望ましレ、。 特許文献 1：特開平 09 - 270605号公報
特許文献 2：特開平 06 - 236814号公報
特許文献 3 :特開平 08 - 165197号公報
特許文献 4 :特開平 10— 233308号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0008] YIG結晶体に印加する入力パワーを増加することにより、 YIGデバイスの出力パヮ 一を増加することができる。し力、しながら、入力パワーがある閾値（限界電力）を超え ると、出力パワーの増加割合が小さくなり、最終的に出力パワーがある値に漸近する 現象（共鳴飽和現象）が生じる。
[0009] この共鳴飽和現象を共振状態の観点からみると、入力パワーの増加とともに Q値が 劣化していく。これは、スピンの歳差運動が一様でなくなり、損失が大きくなるためで ある。更に入力パワーを増加してレ、くと、入力パワーを増大するほどに磁気共鳴スぺ タトルがブロードとなり、共振周波数の半分の周波数でも共振が生じるようになる。
[0010] 共鳴飽和現象は、磁気共鳴半値幅 Δ Ηが小さい素子ほど生じやすぐ磁気共鳴半 値幅 Δ Ηが小さい単結晶材料を用いる YIGデバイスでは特に重要である。しかしな がら、従来は、 YIG結晶体の共鳴飽和現象に対する十分な検討及び対策は行われ ていなかった。
[0011] 本発明の目的は、磁気共鳴半値幅が小さく共鳴飽和が生じる限界電力が大きい磁 性ガーネット単結晶及びこのような磁性ガーネット単結晶を用いた YIGデバイスを提 供することにある。
課題を解決するための手段
[0012] 本発明の一観点によれば、イットリウムの一部をガドリニウムに置換したガドリニウム 置換イットリウム '鉄*ガーネットの単結晶よりなることを特徴とする磁性ガーネット単結 晶が提供される。 [0013] また、上記の磁性ガーネット単結晶において、前記ガドリニウム置換イットリウム '鉄* ガーネットの組成を Y Gd Fe O として、ガドリニウムの組成比 Xは、 0<χ< 0· 1の
3— 5 12
範囲であってもよい。
[0014] また、上記の磁性ガーネット単結晶において、鉄の一部が、 3価の遷移金属元素及 び ΠΙ属元素を含むグノレープから選択される少なくとも一の元素に置換されてもよい。
[0015] また、上記の磁性ガーネット単結晶において、前記ガドリニウム置換イットリウム'鉄' ガーネットの組成を Y Gd Fe M O として、鉄の置換元素 Mの組成比 yは、 0≤
5— 12
y< l . 5の範囲であってもよい。
[0016] また、本発明の他の観点によれば、イットリウムの一部をガドリニウムに置換したイツ トリウム '鉄'ガーネットの単結晶が球状に成形されてなることを特徴とする YIG結晶体 が提供される。
[0017] また、本発明の更に他の観点によれば、イットリウムの一部をガドリニウムに置換した イットリウム '鉄*ガーネットの単結晶が球状に成形された YIG結晶体と、前記 YIG結 晶体に磁界を印加して前記 YIG結晶体を共振する磁界印加手段とを有することを特 徴とする共振器が提供される。
[0018] また、本発明の更に他の観点によれば、イットリウムの一部をガドリニウムに置換した イットリウム '鉄*ガーネットの単結晶が球状に成形された YIG結晶体と、前記 YIG結 晶体に磁界を印加して前記 YIG結晶体を共振する磁界印加手段とを有する共振器 を含むことを特徴とする YIGデバイスが提供される。
[0019] また、本発明の更に他の観点によれば、イットリウムの一部をガドリニウムに置換した イットリウム '鉄*ガーネットの単結晶を TSFZ法により育成することを特徴とする磁性 ガーネット単結晶の製造方法が提供される。
発明の効果
[0020] 本発明によれば、イットリウムの一部をガドリニウムにより置換した YIG単結晶により YIG結晶体を構成するので、磁気共鳴半値幅 Δ Ηを小さくできるとともに、共鳴飽和 が生じる限界電力を増大することができる。また、 YIG結晶体を Y Gd Fe O とし
3-x x 5 12 て、ガドリニウムの組成比 χを 0<χ< 0· 1の範囲に設定することにより、磁気共鳴半 値幅 Δ Ηの増加を小さく抑えつつ、共鳴飽和が生じる限界電力を増加することができ る。また、磁気共鳴半値幅 Δ Ηの温度依存性を小さくすることができる。また、ガドリニ ゥムの組成比 Xを 0. 05近傍に設定することにより、 YIGデバイスの一般的使用温度 範囲における磁気共鳴半値幅 Δ Ηをほぼ一定にすることができる。
図面の簡単な説明
[0021] [図 1]本発明の一実施形態による YIGデバイスの構造を示す概略断面図である。
[図 2]本発明の一実施形態による YIGデバイスにおける発振回路の構成図である。
[図 3]限界電力と周波数との関係を示すグラフである。
[図 4]磁気共鳴半値幅の温度依存性を示すグラフである。
[図 5]限界電力とガドリニウム組成比との関係及び磁気共鳴半値幅とガドリニウム組成 比との関係を示すグラフである。
[図 6]TSFZ法による結晶成長に用いる赤外線集中加熱炉を示す概略断面図である
[図 7]TSFZ法により形成した YIG結晶体及びフラックス法により形成した YIG結晶体 における磁気共鳴半値幅のばらつきを示すグラフである。
[図 8]本発明の一実施形態の変形例による YIGデバイスの構造を示す概略断面図で める。
符号の説明
[0022] 10…つぼ形磁気コア
12…中心コア
14…板状磁気コア
16—YIG結晶体
18…支持棒
20…固定具
22…集積回路基板
24…結合コイル
26…励磁コイル
28…電源端子
30…同軸コネクタ 32…共振器
34·
36·
38…整合器
40· · ·原料支持具
42· · ·結晶原料棒
44· · ·種結晶支持具
46…種結晶
48…上主軸
50…下主軸
52…石英ガラス管
54…雰囲気ガス入口
56…雰囲気ガス出口
58…楕円面鏡
60…ハロゲンランプ
62…溶融帯
64—CCDカメラ
66…入力結合ループ
68…出力結合ループ
70…電磁石
発明を実施するための最良の形態
[0023] 本発明の一実施形態による YIGデバイスについて図 1乃至図 7を用いて説明する。
[0024] 図 1は本実施形態による YIGデバイスの構造を示す断面図、図 2は本実施形態に よる YIGデバイスにおける発振回路の構成図、図 3は限界電力と周波数との関係を 示すグラフ、図 4は磁気共鳴半値幅の温度依存性を示すグラフ、図 5は限界電力とガ ドリニゥム組成比との関係及び磁気共鳴半値幅とガドリニウム組成比との関係を示す グラフ、図 6は TSFZ法による結晶成長に用いる赤外線集中加熱炉を示す概略断面 図、図 7は TSFZ法により形成した YIG結晶体及びフラックス法により形成した YIG結 晶体における磁気共鳴半値幅のばらつきを示すグラフである。
[0025] はじめに、本実施形態による YIGデバイスの構造及び動作について図 1及び図 2を 用いて説明する。
[0026] つぼ形磁気コア 10の内部には、中心コア 12が設けられている。つぼ形磁気コア 10 の上方部には板状磁気コア 14が設けられており、つぼ形磁気コア 10の開口部が板 状磁気コア 14により塞がれている。中心コア 12には、励磁コイル 26が卷回されてい る。励磁コイル 26には、電源端子 28を介して外部から直流電圧を印加できるようにな つている。
[0027] 中心コア 12の先端面と板状磁気コア 14との間には、球状に成形された YIG結晶体
(以下、 YIG球という） 16が配置されている。 YIG球 16は、板状磁気コア 14の内面に 平行な支持棒 18の一端に取り付けられている。支持棒 18の他端は、固定具 20によ り板状磁気コア 14の内面に固定されている。
[0028] 板状磁気コア 14の内面には、また、集積回路基板 22が固定されている。集積回路 基板 22上には、 YIG球 16が中心部に位置するように、半円形をした結合コイル 24 が取り付けられてレ、る（図 1 (b)参照）。
[0029] 集積回路基板 22には、例えば図 2に示すような発振回路が形成されている。 YIG 球 16と励磁コイル 26とにより共振器 32が構成されており、 YIG球 16には、結合コィ ル 24が磁気結合されている。結合コイル 24には、トランジスタ 34のェミッタ電極が接 続されている。トランジスタ 34のベース電極は、インダクタ 36を介して接地されている 。トランジスタ 34のコレクタ電極には整合器 38が接続されている。整合器 38の出力 は、発振器の出力となっている。
[0030] 集積回路基板 22は、板状磁気コア 14の外部に設けられた同軸コネクタ 30に接続 されており、集積回路基板 22との間で信号の入出力ができるようになつている。
[0031] 電源端子 28を介して外部から直流電圧を印加して励磁コイル 26に直流電流を流 すことにより、 YIG球 16には直流磁界が印加される。この印加磁界により、 YIG球 16 は共振する。 YIG球 16の共振周波数は YIG球 16に印加される磁界の強度に比例 するため、励磁コイル 26に流す電流を適宜制御することにより、所望の共振周波数 を得ること力できる。 [0032] YIG球 16は、結合コイル 24によって磁気結合された集積回路基板 22上の能動回 路とともに発信回路を構成する。 YIG球 16に印加する磁界を変化させることにより、 発信周波数を変化することができる。発振出力は、板状磁気コア 14取り付けられた 同軸コネクタ 30から外部に出力することができる。
[0033] ここで、本実施形態による YIGデバイスは、 YIGデバイスを構成する中心的な素子 である YIG球 16が、イットリウム（Y)の一部をガドリニウム（Gd)により置換した YIG単 結晶により構成されていることを主たる特徴としている。具体的には、 YIG球 16は、 Y Gd Fe O の組成で表される材料により構成されている。イットリウムの一部置換
3 5 12
に加え、鉄 (Fe)の一部を 3価の遷移金属元素又は ΠΙ族元素（Mで表す）で置換し、 Y Gd Fe M O の組成で表される材料により構成してもよレ、。 2種以上の 3価の
5— y y 12
遷移金属元素又は m族元素により、鉄の一部を置換するようにしてもょレ、。
[0034] YIG球 16のイットリウムを一部ガドリニウムに置換することにより、共鳴飽和が生じる 印加電力（限界電力）を増加できるとともに、磁気共鳴半値幅 Δ Hに対する温度係数 を制御することができる。
[0035] 図 3は、限界電力と周波数との関係を示すグラフである。縦軸の単位である dBmは 、 mWの指数表記に対応し、 _10dBm力 SO. lmW、 OdBmが lmW、 lOdBm力 Om Wである。なお、図 3は、飽和磁化 800ガウスの YIG結晶体を 300 /ι πι φの球状に加 ェした素子での測定結果である。
[0036] 図示するように、イットリウムの一部をガドリニウムに置換した本実施形態の素子（図 中、特性 Α)及びイットリウムをガドリニウムにより置換していない素子（図中、特性 Β) のいずれの場合にも、同調下限周波数以上の周波数では共振状態となり、周波数の 増加とともに限界電力も増加している。同一周波数において限界電力 Ρ を比較する と、イットリウムの一部をガドリニウムに置換した本実施形態の素子（図中、特性 A)は 、イットリウムをガドリニウムにより置換していない素子（図中、特性 B)よりも限界電力 P が大きくなつている。すなわち、イットリウムの一部をガドリニウムに置換することによ り、共鳴飽和が生じにくくなつていることが判る。
[0037] 図 4は、磁気共鳴半値幅 Δ Ηの温度依存性を示すグラフである。図中、♦印はガド リニゥム組成比 Xが x = 0 (Y Fe〇 ）の場合、き印はガドリニウム組成比 Xが x = 0. 0
3 5 12 5 (Y Gd Fe O )の場合、 X印はガドリニウム組成比 xが x=0. 10 (Y Gd
2. 95 0. 05 5 12 2. 9 0. 1
Fe〇 )の場合である。
5 12
[0038] 図示するように、ガドリニウムを含まない YIG結晶体（♦印）では、磁気共鳴半値幅
Δ Ηが温度の増加とともに急激に増加する傾向を示している。 YIGデバイスの一般 的な使用温度域である室温一 400K程度の温度範囲における磁気共鳴半値幅 Δ H の変動も極めて大きぐ好ましくない。
[0039] 一方、ガドリニウムを含む YIG結晶体では、ガドリニウム組成比 Xが増加するほどに 温度に対する磁気共鳴半値幅 Δ Ηの増加割合が低下する。そして、ガドリニウム組 成比 Xが 0. 05の YIG結晶体（秦印）では、磁気共鳴半値幅 Δ Hの温度依存性はほと んど見られず、 YIGデバイスの一般的な使用温度域である室温一 400K程度の温度 範囲ではほぼフラットな特性となる。ガドリニウム組成比 Xが 0. 10の YIG結晶体（X 印）の場合には、磁気共鳴半値幅 Δ Hの温度依存性は逆転し、磁気共鳴半値幅 Δ Hが温度の増加とともに減少する傾向を示すようになる。
[0040] 図 5は、限界電力とガドリニウム組成比との関係及び磁気共鳴半値幅とガドリニウム 組成比との関係を示すグラフである。図中、秦印は限界電力とガドリニウム組成比と の関係を示しており、♦印は磁気共鳴半値幅とガドリニウム組成比との関係を示して いる。
[0041] 図示するように、ガドリニウム組成比 Xを増加することにより、限界電力 P を増加する こと力 Sできる。その一方、ガドリニウム組成比 Xを増加することにより、磁気共鳴半値幅
Δ Ηは増加する。ガドリニウム組成比 Xが 0. 1以上になると、磁気共鳴半値幅 Δ Ηが ガドリニウムを含まない場合の 4倍以上の値となり、好ましくない。
[0042] YIGデバイスに用レ、る YIG球 16としては、限界電力が大きぐ磁気共鳴半値幅が 小さいことが望ましい。し力、しながら、図 5に示すように、限界電力及び磁気共鳴半値 幅は、ともにガドリニウム組成比 Xの増加に伴って増加する。したがって、ガドリニウム 組成比 Xは、限界電力と磁気共鳴半値幅とを比較考量し、所望する YIG球 16の特性 に応じて適宜選択することが望ましレ、。
[0043] 図 4及び図 5の結果を考え合わせると、 YIG球 16中のガドリニウムの含有量は、 Y
3—
Gd Fe〇 として、ガドリニウム組成比 Xを、 0<x< 0. 1の範囲に設定することが望 5 12 ましぐ一般的な使用温度範囲で磁気共鳴半値幅 Δ Ηの変動が極めて小さい x 0. 05近傍に設定することが更に望ましい。
[0044] なお、多結晶の YIG結晶体の場合、磁気共鳴半値幅 Δ Ηがもともと大きぐガドリニ ゥム添カ卩による磁気共鳴半値幅 Δ Ηへの影響は小さい。し力 ながら、磁気共鳴半 値幅 Δ Hが狭レ、ことが要求される単結晶の YIG結晶体では、磁気共鳴半値幅 Δ H の増加を抑えるためにガドリニウムの添力卩量をごく微量に制限する必要がある。
[0045] 本実施形態による YIGデバイスに用レ、る YIG球 16は、イットリウムのガドリニウムに よる一部置換に加え、鉄の一部を少なくとも 1種の 3価遷移金属元素又は III族元素（
Mで表す）で置換し、 Y Gd Fe M O の組成で表される材料により構成するよう
5— y y 12
にしてもよい。
[0046] 鉄と置換する 3価遷移金属元素又は ΠΙ族元素元素としては、アルミ (A1)、ガリウム（ Ga)等を適用することができる。鉄の一部をこれら元素で置換することにより、飽和磁 化を適宜制御することができる。
[0047] 元素 Mの組成比 yは、 0≤y< l . 5に設定することが望ましい。元素 Mの組成比 yを y> l . 5とするのは、組成比 yが 1. 5を越えると磁気秩序転位温度（キュリー温度）が 室温以下となり、使用温度範囲で磁性体ではなくなつてしまうからである。また、素子 を冷却してキュリー温度以下に保ったとしても、添加量が多いため磁気共鳴半値幅 Δ Hが広く（Q値が低いため）共振素子として使用できないからである。
[0048] 本実施形態による YIG球 16は、 TSFZ (移動帯溶融： Traveling Solvent Floating Zone)法により結晶成長することが望ましい。
[0049] 従来、単結晶 YIG結晶体は、フラックス法により育成されていた。フラックス法とは、 るつぼ内に結晶原料とフラックス（融剤）とを入れて溶融した後、徐冷し或いはフラック スを揮発させることにより、単結晶成長させる方法である。し力 ながら、フラックス法 による結晶成長では、育成中における温度や組成の変動により結晶内部で添加物 に分布が生じることがあり、微量添加物の制御が困難であった。このため、本実施形 態による YIGデバイスに用レ、る YIG球 16のように微量なガドリニウムを含む単結晶材 料は、フラックス法により成長することは困難である。
[0050] 一方、 TSFZ法は、予め所望の量の添加物を混入した結晶原料棒を溶融し、種結 晶上にェピタキシャル成長させる方法であり、微量な添加物を含む単結晶の成長も 可能である。したがって、 TSFZ法は、本実施形態による YIGデバイスに用いる YIG 球 16のように微量なガドリニウムを含む単結晶材料の育成に好適である。
[0051] 図 6は、 TSFZ法による結晶成長に用いる赤外線集中加熱炉を示す図である。
[0052] 原料支持具 40に保持された結晶原料棒 42と、種結晶支持具 44に保持された種結 晶 46とは、同一軸芯上に支持されている。結晶原料棒 42及び種結晶 46は、上主軸 48及び下主軸 50によりそれぞれ支持されており、軸芯方向に移動できるようになつ ている。
[0053] 結晶原料棒 42及び種結晶 46は石英ガラス管 52内に配置されている。石英ガラス 管 52には、雰囲気ガス入口 54と雰囲気ガス出口 56とが設けられており、これらの間 で所定の雰囲気ガスを流すことにより、石英ガラス管 52内を所望の雰囲気に制御で きるようになつている。
[0054] 石英ガラス管 52の周囲には、石英ガラス管 52を囲むように楕円面鏡 58が設けられ ている。楕円面鏡 58の一方の焦点にはハロゲンランプ 60が配置されている。楕円面 鏡 58の他方の焦点には、結晶原料棒 42の先端部分が位置するように配置されてお り、ハロゲンランプ 60から放出された熱線が結晶原料棒 42の先端部分に照射される ようになつている。
[0055] ハロゲンランプ 60から放出された熱線が楕円面鏡 58により集光されて結晶原料棒
42に照射され、結晶原料棒 42の上部に溶融帯 62が形成される。この状態で、種結 晶 46を溶融帯 62に接触後、種結晶 46を回転しながら種結晶 46及び結晶原料棒 42 を僅かずつ下に向かって移動させることにより、溶融帯 62中の溶融原料が種結晶 46 上に単結晶成長する。単結晶の成長過程は、 CCDカメラ 64によってモニタすること ができる。
[0056] 上述の TSFZ法では、結晶原料棒 42の組成及び溶融帯 62中の溶融組成を適切 に選定することにより、所望の組成の単結晶を育成することができる。また、 TSFZ法 によれば、フラックス法等と比較して不純物の混入を大幅に低減することができ、混 入したい添加物に対しては微量であっても精度よく混入させることができる。
[0057] 図 7は、 TSFZ法により形成した YIG結晶体及びフラックス法により形成した YIG結 晶体における磁気共鳴半値幅のばらつきを示すグラフである。横軸は磁気共鳴半値 幅の値を示し、縦軸は全体に占める割合を示している。
[0058] 図示するように、 TSFZ法により形成した YIG結晶体は、フラックス法により形成した YIG結晶体と比較して、より小さい磁気共鳴半値幅 Δ Ηを有している。また、磁気共 鳴半値幅 Δ Ηのばらつきも小さぐ安定した特性を有する YIG結晶体を形成できるこ とが判る。
[0059] このように、 TSFZ法は、本実施形態による YIGデバイスに用いる単結晶の YIG球
16を育成するために極めて有効である。
[0060] このように、本実施形態によれば、イットリウムの一部をガドリニウムにより置換した YI G単結晶により YIG結晶体を構成するので、共鳴飽和が生じる限界電力を増加する こと力 Sできる。また、 YIG結晶体を Y Gd Fe O として、ガドリニウムの組成比 xを 0
3 5 12
< χ< 0. 1の範囲に設定することにより、磁気共鳴半値幅 Δ Ηの増加を小さく抑えつ つ、限界電力を増加することができる。また、磁気共鳴半値幅 Δ Ηの温度依存性を 小さくすること力 Sできる。また、ガドリニウムの組成比 Xを 0· 05近傍に設定することによ り、 YIGデバイスの一般的使用温度範囲における磁気共鳴半値幅 Δ Ηをほぼ一定 にすることができる。
[0061] また、共鳴飽和が生じる限界電力が増加することにより、 YIG結晶体に印加する入 力パワーを大きくすることが可能となる。これにより、高発信出力'広帯域の発振器を 実現すること力できる。
[0062] 本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
[0063] 例えば、上記実施形態では、本発明の YIG結晶体を適用する YIGデバイスの一例 として YIG同調発振器を示したが、他の YIGデバイスに適用することも可能である。 例えば、 YIG同調フィルタ等、他の YIGデバイスに適用してもよい。
[0064] YIG同調フィルタは、例えば図 8に示すように、 YIG球 16と、 YIG球 16に所定の磁 界を印加する電磁石 70と、 YIG球 16に磁気結合された入力結合ループ 66及び出 力結合ノレープ 68とにより構成することができる。
[0065] また、上記実施形態では、 YIG結晶体を球状に成形した例を示したが、 YIG結晶 体は必ずしも球状である必要はなレ、。一般に、 YIG結晶体を球状にすると共振周波 数 fと外部磁界 Hとが f= γ Ηの関係となるためデバイス設計が容易であるが、円板状 や針状の共振器を形成することも可能である。特に、円板状の YIG結晶体は、共振 周波数 fが f= γ (Η— 4 π Ms)で表され、球状の場合よりも低いため、低周波素子へ 適用することができる。但し、共振周波数 fが 4 π Msに依存し、飽和磁化 (Ms)の温 度変化が直接共振周波数の温度変化となるため、温度安定化のための工夫が必要 である。また、共振器としての応用ではなくサーキユレータゃ遅延線等の応用では、 平板状の YIG結晶体を用いることもできる。
産業上の利用可能性
本発明による YIG結晶体は、磁気共鳴半値幅 Δ Hが小さくその温度依存性も小さ レ、。また、高い限界電力を有している。したがって、高発振出力'広帯域が要求される YIGデバイス、このような YIGデバイスを用いたスペクトラム ·アナライザやネットワーク •アナライザ等への適用に極めて有用である。

Claims

請求の範囲
[1] イットリウムの一部をガドリニウムに置換したガドリニウム置換イットリウム '鉄'ガーネ ットの単結晶よりなることを特徴とする磁性ガーネット単結晶。
[2] 請求の範囲第 1項記載の磁性ガーネット単結晶において、
前記ガドリニウム置換イットリウム '鉄'ガーネットの組成を Y Gd Fe O として、ガ
3— 5 12 ドリ二ゥムの組成比 X力 S、 0< x< 0. 1の範囲である
ことを特徴とする磁性ガーネット単結晶。
[3] 請求の範囲第 1項又は第 2項記載の磁性ガーネット単結晶において、
鉄の一部が、 3価の遷移金属元素及び III属元素を含むグループから選択される少 なくとも一の元素に置換されている
ことを特徴とする磁性ガーネット単結晶。
[4] 請求の範囲第 3項記載の磁性ガーネット単結晶におレヽて、
前記ガドリニウム置換イットリウム '鉄'ガーネットの組成を Y Gd Fe M O とし d— x x 5— y y 12 て、鉄の置換元素 Mの組成比 yが、 0≤y< l . 5の範囲である
ことを特徴とする磁性ガーネット単結晶。
[5] イットリウムの一部をガドリニウムに置換したイットリウム '鉄-ガーネットの単結晶が球 状に成形されてなることを特徴とする YIG結晶体。
[6] イットリウムの一部をガドリニウムに置換したイットリウム '鉄-ガーネットの単結晶が球 状に成形された YIG結晶体と、
前記 YIG結晶体に磁界を印加して前記 YIG結晶体を共振する磁界印加手段と を有することを特徴とする共振器。
[7] イットリウムの一部をガドリニウムに置換したイットリウム '鉄-ガーネットの単結晶が球 状に成形された YIG結晶体と、前記 YIG結晶体に磁界を印加して前記 YIG結晶体 を共振する磁界印加手段とを有する共振器を含むことを特徴とする YIGデバイス。
[8] イットリウムの一部をガドリニウムに置換したイットリウム '鉄*ガーネットの単結晶を T SFZ法により育成することを特徴とする磁性ガーネット単結晶の製造方法。
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