Bi：YIG石榴石薄膜生長工藝和磁光性能研究

王娟娟，李旭輝，曹 陽，賈勝利

(1.呂梁學(xué)院 化學(xué)化工系，山西 呂梁 033001；2.關(guān)帝山國有林管理局 千年林場，山西 呂梁 033001)

近來，隨著人類信息技術(shù)的發(fā)展及對現(xiàn)代化信息處理技術(shù)不斷的追求，具有在光通訊、信息存儲和光隔離器等方面強大功能磁光材料的應(yīng)用越來越廣泛[1-2]。鑒于石榴石型鐵氧體(R3Fe5O12)特殊的物理化學(xué)性能，它成為眾多研究者追逐的一種優(yōu)異的磁光材料。而釔鐵石榴石(YIG，yttrium iron garnet)更是典型的磁光法拉第材料，因為它的近紅外特性和有選擇的透光性能，從而吸引了更多的研究跟商業(yè)價值；同時純的YIG薄膜的磁光效應(yīng)較弱，不滿足器件發(fā)展的需求，所以YIG的改性一直是磁光器件發(fā)展的一個瓶頸問題[3-4]。大量研究發(fā)現(xiàn)，在YIG的24C晶格位置摻入少量的Bi3+雜質(zhì)離子后，可以有效提高材料的法拉第旋轉(zhuǎn)角和磁光特性[5-6]，但具體能改善多少，需要進(jìn)一步來驗證。因此，這一發(fā)現(xiàn)使人們看到了磁光材料具有巨大的應(yīng)用前景，Bi摻雜YIG(Bi：YIG)薄膜是一種制備磁光器件非常理想的薄膜材料[7]。

本論文將重點探討，利用脈沖激光淀積PLD方法通過控制不同工藝參數(shù)制備的Bi摻雜YIG(Bi：YIG)磁光薄膜，比較了不同薄膜樣品的物相結(jié)構(gòu)和磁光性能，取得了有一定意義的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)生長了種子層的薄膜結(jié)晶效果很好，且磁光旋轉(zhuǎn)角可以達(dá)到-0.2o/μm，可以做為現(xiàn)在磁光隔離器和光通訊系統(tǒng)的首選材料。

1 實驗

1.1 樣品制備

采用脈沖激光淀積(PLD)法，通過不同工藝制備了不同性能的磁光薄膜：本論文分別采用單步和兩步淀積法生長了Bi1.5Y1.5Fe5O12磁光薄膜。

單步淀積：在硅襯底上直接淀積Bi1.5Y1.5Fe5O12薄膜樣品。在單步淀積過程中，通過控制不同襯底溫度和反應(yīng)氧分壓制備了不同的Bi摻雜的YIG(Bi1.5Y1.5Fe5O12)薄膜樣品。具體步驟如下，基片的處理與安裝；基底溫度與反應(yīng)氧壓的調(diào)節(jié)；然后控制反應(yīng)氧分壓及襯底溫度。 薄膜的淀積和快速退火處理：將Si襯底放置在離靶材約55mm的加熱裝置上，將激光能量為100mJ的KrF激光束(波長為248nm，脈沖頻率為5Hz，脈沖寬度為25ns)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，保溫一段時間，在2mTorr氧分壓及800℃退火爐中快速退火，得到結(jié)晶的樣品薄膜。

兩步淀積：先在硅襯底上生長一層種子層YIG，然后再淀積Bi1.5Y1.5Fe5O12薄膜，生成Bi1.5Y1.5Fe5O12/YIG/Si薄膜樣品。

1.2 樣品表征

采用X射線衍射技術(shù)(XRD)測定了樣品的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。采用法拉第旋轉(zhuǎn)儀測試了Bi:YIG樣品的法拉第旋轉(zhuǎn)角，以確定樣品的最佳生長工藝。法拉第旋轉(zhuǎn)是指光經(jīng)過磁光材料時電場極化方向的旋轉(zhuǎn)，法拉第旋轉(zhuǎn)是來源于磁光材料中介電常數(shù)的非對角元的存在，本論文中使用的自制的法拉第旋光測試裝置，激光器產(chǎn)生連續(xù)的1550 nm 激光。

2 結(jié)果與討論

2.1 單步淀積不同條件下Bi1.5Y1.5Fe5O12/Si薄膜的物相結(jié)構(gòu)的影響

圖1是在不同條件下硅襯底上直接淀積Bi：YIG樣品所對應(yīng)的XRD譜圖。與標(biāo)準(zhǔn)卡片對比可以看出，樣品出現(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)，但其結(jié)晶效果卻又差異。圖1(a)是Si襯底溫度固定在550℃，四種不同淀積氧分壓下Bi:YIG薄膜樣品所對應(yīng)的 XRD 圖譜，從XRD譜圖可以看出氧分壓低于10mTorr時，(400)峰明顯消失，結(jié)晶效果很差，所以我們淀積過程中氧分壓需要合理控制，且不能太低。氧分壓控制在20和40mTorr的兩個樣品均表現(xiàn)出良好的結(jié)晶效果。說明部分Bi3+取代Y3+不會影響YIG的晶體結(jié)構(gòu)，并且氧分壓的變化對結(jié)晶有很大的影響。圖1(b)是在恒定10mTorr氧分壓下，五種不同基底溫度下淀積的薄膜樣品的XRD譜圖，可以看出溫度在600℃時，(420)峰的旁邊會有明顯鼓包生成，結(jié)晶效果不理想，同時發(fā)現(xiàn)溫度越高，(400)峰會消失，都會影響結(jié)晶效果。在300℃時，峰強最強，并且結(jié)晶效果最好。所以單步淀積過程中，需要較低的溫度和較高的氧分壓，是最適合生長Bi:YIG薄膜的條件。

(a)基底溫度550℃，氧分壓分別為5、10、20、40 mTorr；(b)基底溫度分別為300℃、400℃、500℃、550℃、600℃，氧分壓為10 mTorr圖1 Si基底上制備的Bi1.5Y1.5Fe5O12/Si薄膜的XRD譜圖

2.2 兩步淀積不同條件下Bi1.5Y1.5Fe5O12/YIG/Si薄膜的物相結(jié)構(gòu)

圖2是用PLD法通過不同與直接在硅襯底上淀積Bi1.5Y1.5Fe5O12工藝生長的薄膜，首先在Si基片上生長了一層20nm YIG種子層，通過設(shè)定不同基底溫度和氧分壓使種子層結(jié)晶，然后在種子層上淀積薄膜得到Bi1.5Y1.5Fe5O12/YIG/Si 薄膜的 XRD 圖譜。通過分析，可以看出生長了種子層的薄膜結(jié)晶效果明顯好于單層一步得到的薄膜，雜峰減少，生長的晶體純度提高。

基底溫度分別為550℃、600℃，氧分壓分別為50、100、150 mTorr

圖2 Bi1.5Y1.5Fe5O12/YIG/Si薄膜的XRD譜圖

表1中列出了不同樣品用Jade軟件計算的晶粒尺寸和晶格常數(shù)。其中樣品的晶粒尺寸計算可用謝樂公式D=0.9λ/βCOSθ，其中：D是垂直于晶面方向上晶粒的平均尺寸，β是最強峰(420)衍射峰的半高寬，λ是X射線波長。晶格常數(shù)是根據(jù)(420)峰對應(yīng)的晶面間距，h、k、l密勒指數(shù)計算得。

表1 不同工藝條件下的Bi1.5Y1.5Fe5O12/YIG/Si薄膜薄膜的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)

從表1中發(fā)現(xiàn)Bi：YIG薄膜的晶格常數(shù)總是大于YIG(12.376)的晶格常數(shù)，這是由于Bi3+(0.111nm)的半徑大于Y3+(0.106nm)的半徑，取代后造成晶格膨脹，引起晶格常數(shù)增大。同時我們會發(fā)現(xiàn)，在相同條件下溫度升高，晶格常數(shù)會增加，這說明，溫度升高，晶格熱震動增強，并且離子交換速率將會提升，這促進(jìn)了鐵氧體晶體的生長。

2.3 Bi:YIG薄膜的磁光性能分析

(a)基底溫度550℃，氧分壓分別為5、10、20、40 mTorr，Bi1.5Y1.5Fe5O12/Si的法拉第旋光曲線；(b)基底溫度分別為300℃、400℃、500℃、550℃、600℃，氧分壓為10 mTorr，Bi1.5Y1.5Fe5O12/Si的法拉第旋光曲線圖3 Si基底上制備的Bi：YIG薄膜的法拉第旋光曲線

圖3 所示為 Bi：YIG 薄膜在 1550nm 波段的室溫法拉第旋光曲線： (a)單步淀積在10mTorr氧分壓，不同基底溫度下Bi1.5Y1.5Fe5O12/Si薄膜的法拉第旋光曲線，可以看出在相同溫度下氧分壓不能太低，跟XRD圖結(jié)果一致；比法拉第旋轉(zhuǎn)角0.015之間微小變動；(b) 生長了種子層YIG的磁光薄膜在不同反應(yīng)氧分壓下Bi1.5Y1.5Fe5O12/YIG/Si的法拉第旋光曲線，可以看出溫度越高，法拉第旋轉(zhuǎn)角越大。實驗中磁場方向垂直于薄膜表面。

從圖3可以看出生長了種子層的100nmBi1.5Y1.5Fe5O12薄膜的法拉第旋轉(zhuǎn)角明顯增大到0.02°，即比法拉第角為-0.2o/μm。綜合考慮，在整個生長工藝中，采用兩步生長，不僅有好的結(jié)晶效果，并且有大的法拉第旋光特性，大大提高了材料的使用范圍。

3 結(jié)論

采用PLD法制備了Bi：YIG樣品薄膜，一步淀積生長的薄膜Bi1.5Y1.5Fe5O12Si和生長了種子層的Bi1.5Y1.5Fe5O12/YIG/Si ，我們發(fā)現(xiàn)生長了種子層的薄膜明顯比一步淀積結(jié)晶效果好，有較好的石榴石相產(chǎn)生；并且發(fā)現(xiàn)在生長過程中600℃，150mTorr是最適合結(jié)晶的生長工藝，此時得到的薄膜有較高的法拉第旋轉(zhuǎn)角-0.2o/μm，有利于制作法拉第旋轉(zhuǎn)角大的磁光材料。