王娟娟

(呂梁學(xué)院 化學(xué)化工系，山西 離石 033001)

0 引言

當(dāng)入射光線(xiàn)照射磁性物質(zhì)時(shí)，會(huì)被磁性物質(zhì)反射或者直接穿透.這種對(duì)于具有透光性，且透射物體時(shí)自發(fā)產(chǎn)生了不同磁化強(qiáng)度的特殊的光學(xué)特性，比如偏振面發(fā)生了旋轉(zhuǎn)等現(xiàn)象，被稱(chēng)為磁光效應(yīng)[1].磁光材料是指在光照射物體時(shí)，使物體在某些特定波段產(chǎn)生磁化強(qiáng)度而表現(xiàn)出的各種的磁光效應(yīng)特性的光信息功能材料.利用磁光材料這種特殊的磁與光之間相互影響、調(diào)節(jié)的特殊功能，可以構(gòu)成具有光偏頻、光隔離、光調(diào)制、光信息處理等光電磁轉(zhuǎn)換功能的磁光器件.像磁光隔離器就是基于磁光材料的法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)工作的，其中隔離器的主要組成部分是偏振片、石榴石晶體旋轉(zhuǎn)器以及外加磁場(chǎng)的磁體，因此石榴石晶體的結(jié)構(gòu)的好壞直接影響器件的性能[2，3].石榴石型鐵氧體(R3Fe5O12，簡(jiǎn)寫(xiě)為RIG)，是一種典型的非常有應(yīng)用前景的磁光材料，由于其具有大的比法拉第旋轉(zhuǎn)角，且物理性質(zhì)穩(wěn)定，同時(shí)來(lái)源豐富等優(yōu)點(diǎn)，所以成為主要的研究對(duì)象并己經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化.在石榴石型磁光材料中，稀土釔鐵石榴石材料(Y3Fe5O12，簡(jiǎn)寫(xiě)為YIG)由于近紅外波段吸收小，比法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)大，是一種最為典型的磁光法拉第材料[4-6].

Bi摻雜是目前研究得較多的一類(lèi)石榴石型鐵氧體材料.Bi摻雜釔鐵石榴石(Bi：YIG)在可見(jiàn)光至紅外波段大大增強(qiáng)材料的磁光特性，而未摻雜的石榴石的法拉第旋轉(zhuǎn)角相比較還是很小的，根本不具備很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值.Bi摻雜釔鐵石榴石(Bi：YIG)薄膜以其高透明性和優(yōu)異的磁光性能而受到廣泛的關(guān)注. 最近幾年，在硅基片上淀積生長(zhǎng)Bi：YIG薄膜已取得重大進(jìn)展[7，8]，在器件設(shè)計(jì)方面顯示出很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)靈活性和大規(guī)模集成能力. 使用脈沖激光沉積(PLD)，可以得到更純的多晶Bi：YIG磁光薄膜.應(yīng)用Bi摻雜的磁光薄膜可以制作更緊湊環(huán)形諧振器、光隔離器等光學(xué)器件.因此Bi：YIG是目前應(yīng)用最廣泛、最有發(fā)展前途的磁光材料[9-11].

本論文通過(guò)用脈沖激光沉積PLD法在硅基片上直接淀積Bi1.5Y1.5Fe5O12納米薄膜，通過(guò)控制淀積過(guò)程中基底溫度儀，并且改變生長(zhǎng)過(guò)程中的氧分壓來(lái)改變Bi在Bi：YIG薄膜中的溶解度，來(lái)調(diào)節(jié)生成的薄膜的相結(jié)構(gòu).然后通過(guò)XRD表征得到理想的石榴石相結(jié)構(gòu).

1 實(shí)驗(yàn)

脈沖激光沉積(PLD)是結(jié)合了蒸發(fā)和濺射的特點(diǎn)，利用激光對(duì)物體表面進(jìn)行轟擊產(chǎn)生等離子體，然后將轟擊出的等離子體淀積在基底上所得到薄膜的這樣一種物理氣相沉積法，由于其所得的樣品純度較高，被廣泛的用來(lái)生長(zhǎng)復(fù)雜的氧化物薄膜和外延生長(zhǎng)[12，13].應(yīng)用PLD法制備薄膜的主要工藝參數(shù)包括激光能量、激光頻率、反應(yīng)氣氛、靶材與基底的距離、基底溫度、退火氣氛、退火溫度以及退火時(shí)間，都會(huì)影響薄膜的質(zhì)量.一般在生長(zhǎng)薄膜中，使用最多的激光源是 248 nm KrF準(zhǔn)分子激光(脈沖頻率為2-30 Hz，脈沖寬度為25 ns)，這個(gè)波段的激光能量可以有效的被吸收，并且產(chǎn)生等離子體，等離子體向基片移動(dòng)最終沉積在基片上形成薄膜，同時(shí)基片需要加熱到高溫使薄膜結(jié)晶.為了保證材料的純度，腔體需要保證高的真空度.基片通常放置在離基片5 cm左右的位置.

脈沖激光沉積可以同時(shí)生長(zhǎng)多層或者多種摻雜的氧化物薄膜，薄膜的化學(xué)計(jì)量比與靶材一致，所以PLD沉積很大程度上依賴(lài)于靶材的質(zhì)量[14].本論中所用到的陶瓷靶材是Bi1.5Y1.5Fe5O12材料.

1.1 樣品制備與表征

本論文采用脈沖激光淀積(PLD)法，通過(guò)控制不同氧分壓在硅基片上一步淀積制備了不同結(jié)構(gòu)的Bi1.5Y1.5Fe5O12磁光薄膜.具體生長(zhǎng)工藝如下：前處理，依次采用丙酮、去離子水、無(wú)水乙醇于超聲波清洗 Si基片；然后將清洗好的Si基片放在樣品臺(tái)中心.制備過(guò)程：制備實(shí)驗(yàn)在PLD(脈沖激光)腔體中進(jìn)行的，PLD腔體在淀積前預(yù)抽真空至5×10-7Torr，淀積時(shí)，首先控制溫度為300℃的情況下，反應(yīng)氧分壓分別為10 mTorr、40 mTorr、100 mTorr. 后處理：將Si襯底放置在離靶材約55 mm的加熱裝置上，將激光能量為100 MJ的KrF激光束照射在不停旋轉(zhuǎn)的多晶Bi:YIG的靶材上，淀積薄膜；淀積完成后，保溫一段時(shí)間，在2 mTorr氧分壓及800℃退火爐中快速退火，得到結(jié)晶的樣品薄膜，嚴(yán)格的退火溫度也是影響薄膜結(jié)晶的重要因素，在退火過(guò)程中，溫度升高，晶格熱震動(dòng)增強(qiáng)，并且離子交換速率將會(huì)提升，這促進(jìn)了鐵氧體晶體的生長(zhǎng).

采用X射線(xiàn)衍射技術(shù)(XRD)測(cè)定了樣品的XRD譜，并用Jade軟件分析確定了樣品的晶格常數(shù)及晶粒尺寸，以確定樣品的適當(dāng)?shù)纳L(zhǎng)工藝和生長(zhǎng)條件.

2 結(jié)果與討論

2.1 Bi1.5Y1.5Fe5O12薄膜的XRD圖

圖1是Si襯底溫度固定在300℃，三種不同淀積氧分壓10 mTorr，40 mTorr，100 mTorr下生長(zhǎng)的Bi:YIG薄膜樣品所對(duì)應(yīng)的 XRD 圖譜.通過(guò)Jade軟件分析，與標(biāo)準(zhǔn)譜圖對(duì)比，可以看出樣品呈現(xiàn)典型的石榴石型鐵氧體結(jié)構(gòu)YIG的(400)、(420)、(422)、(521)晶面反射，表明樣品的主要物相為具有立方晶系的典型的石榴石型鐵氧體結(jié)構(gòu).從XRD譜圖可以看出氧分壓高于100 mTorr時(shí)，結(jié)晶效果很差，得不到我們所需要的石榴石相結(jié)構(gòu).所以我們淀積過(guò)程中氧分壓需要合理控制，且不能太高.氧分壓控制在10 mTorr和40 mTorr的兩個(gè)樣品均表現(xiàn)出良好的結(jié)晶效果，且在40 mTorr時(shí)峰強(qiáng)更強(qiáng).說(shuō)明部分Bi3+取代Y3+不會(huì)影響YIG的晶體結(jié)構(gòu)，并且氧分壓的變化對(duì)結(jié)晶有很大的影響.因此在生長(zhǎng)過(guò)程中需要合理控制氧分壓，并且整個(gè)淀積過(guò)程中每一步影響因素都需要嚴(yán)格控制.

表1中列出了不同樣品用Jade軟件計(jì)算的晶粒尺寸和晶格常數(shù).樣品的晶粒尺寸計(jì)算基于謝樂(lè)公式D=0.9 λ/βCOSθ，其中：D是垂直于晶面方向上晶粒的平均尺寸，β是最強(qiáng)峰(420)衍射峰的半高寬，λ是X射線(xiàn)波長(zhǎng).

圖1 Si基底上制備的Bi1.5Y1.5Fe5O12/Si薄膜的XRD譜圖

表1300℃下，不同反應(yīng)氣氛的Bi:YIG薄膜的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)

氧分壓(mTorr)晶粒尺寸(nm)晶格常數(shù)(420)1043.812.40064042.412.4316

晶格常數(shù)是根據(jù)(420)峰對(duì)應(yīng)的晶面間距，h、k、l密勒指數(shù)計(jì)算得[15].

從表1中發(fā)現(xiàn)Bi：YIG薄膜的晶粒尺寸接近理想YIG(43.125 nm)，晶格常數(shù)總是大于且接近YIG(12.376 nm)的晶格常數(shù)，說(shuō)明整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中，所淀積的薄膜結(jié)晶效果理想，晶格常數(shù)稍大是由于Bi3+(0.111 nm)的半徑大于Y3+(0.106 nm)的半徑，取代后造成晶格膨脹，引起晶格常數(shù)增大.

3 結(jié)論

采用PLD法在硅基片上制備了Bi：YIG樣品薄膜，發(fā)現(xiàn)在淀積生長(zhǎng)的薄膜Bi1.5Y1.5Fe5O12Si的過(guò)程中氧分壓不能太高，并且在較低氧分壓下都可以生長(zhǎng)出標(biāo)準(zhǔn)石榴石相.