高矫顽力掺杂铁酸钇磁光晶体的生长与性能研究

The magneto-optical material is indispensable key functional material for the new generation of information industry. YFeO3 crystal with high magneto-optical figure of merit, fast response, high coercivity, is expected to be used for new type of magneto-optical devices, such as the ultrafast magneto-optical switch and the magneto-optical isolator without the external magnetic field. However, it is very difficult to grow large-size YFeO3 crystal. The causes and the variation law of the high coercivity force of YFeO3 crystal is not yet clear. All these needed a further in-depth research. This project will attempt to innovate the crystal growth method, grow YFeO3 single crystal with large size and high quality by using EFG method. By combining with crystal microstructure analysis and quantum chemical calculations, this project also plans to study the mechanisms of the high- coercivity magnetic behavior and the magneto-optical effect of YFeO3 crystal. Based on these researchs, this project is expected to obtain a new magneto-optical functional materials with high coercivity and high magneto-optical figure of merit and then promote the development of new-generation information technology. The research on the crystal growth of YFeO3 crystal by using EFG method can further enrich the methods and theories of crystal growth, and the research on the mechanism of high coercivity will also be help for exploring new magnetic materials.

磁光材料是新一代信息产业中不可或缺的关键功能材料。YFeO3晶体具有磁光优值高、响应速度快、矫顽力高等优点，有望用于超快磁光开关和无外磁场磁光隔离器等新型磁光器件。但大尺寸YFeO3晶体的生长极为困难，晶体高矫力磁性行为的起因和变化规律尚未明晰，有待进一步深入的研究。本项目从晶体生长方法上进行创新，采用导模提拉法生长大尺寸、高质量YFeO3单晶，破解该类晶体的生长难题。同时结合晶体微结构解析和量子化学理论计算，研究晶体的高矫顽力磁性行为、磁光效应产生机理，在此基础上探寻具有高矫顽力、高磁光优值的掺杂YFeO3磁光晶体。项目研究有望获得新型的磁光功能材料，从而促进新一代信息技术的发展，并进一步丰富晶体材料生长方法与理论。晶体高矫顽力产生机理的研究还可能为探寻、开发新型磁性材料提供借鉴与参考。

磁光材料是信息产业中不可或缺的关键功能材料。YFeO3晶体具有磁光优值高、响应速度快、矫顽力高等优点，有望用于超快磁光开关和无外磁场磁光隔离器等新型磁光器件。本项目采用导模提拉法生长YFeO3、Ce:YFeO3等系列钙钛矿型稀土铁酸盐晶体，通过研究熔体组分、导模模块缝隙等因素对晶体质量影响，分析其晶体生长机理，获得大尺寸、高质量的单晶。项目还将导模提拉法应用于Ga:YIG、Ga:GIG、TGG等磁光晶体的生长，获得了较理想的研究结果。对所生长的YFeO3等晶体进行了磁性表征。发现YFeO3晶体光轴方向的矫顽力Hc高达3082 Oe，非常有利于用作无外磁场的磁光隔离器。此外，钙钛矿型稀土铁酸盐晶体还表现出很强的磁各向异性，是晶体产生高矫顽力的主要因素。晶体的矫顽力对制备条件、掺杂离子等因素敏感。非磁性的Ga3+掺入也能在很大程度影响不同晶向的矫顽力。高浓度Ce3+掺杂可以使YFeO3晶体的矫顽力大为减小，有利于其用于磁光调制器。在YFeO3和Ce:YFeO3晶体结构的基础上，基于第一性原理模拟了晶体的能带结构、态密度图、吸收光谱。发现YFeO3晶体掺入Ce3+有利于提高磁光性能。.为了加快项目研究进展、加深对磁光材料的磁性、磁光机理的理解，本项目在坚持采用导模提拉法生长掺铈铁酸钇晶体的同时，采用射频磁控溅射法成功制备了高质量的Ce:YFeO3、CeFeO3、Ce:GdFeO3、Ce,Ga:GIG等磁光薄膜。研究发现随着薄膜中铈掺杂量提高，磁光效应也明显提高，矫顽力也更大。制备的BiFeO3多铁性磁光薄膜表现出电场调制磁光效应，有希望为探索新型磁光材料的开辟新领域，开发出新型的光信息器件。采用提拉法制备了La0.273Sr0.620Al0.818Ta0.298O3和La0.159Sr0.711Al0.684Ta0.410O3两种新基底晶体，并结合密度泛函理论计算和晶体透过光谱表征，发现O-和Oi色心缺陷是引起晶体着色的主要原因。.在系列稀土铁酸盐磁光晶体生长和磁性、磁光机理研究的基础上，对钙钛矿型稀土铁酸盐晶体进行掺杂改性，获得立方晶系、具有高矫顽力、高居里温度的Sr,V:LaFeO3磁光晶体及系列磁光薄膜，如若对这类磁光材料开展进一步深入研究，有希望获得高性能磁光材料，开发新型磁光器件。