本技术涉及一种采用导模提拉‑顶部籽晶法生长掺铋稀土铁石榴石BRIG晶体的方法和应用。为解决目前液相外延法生长BRIG晶体中存在的内应力大、缺陷多、单晶厚膜难制备;以及顶部籽晶法存在的生长周期长、籽晶难获取等问题,本发明将导模提拉法晶体的快速生长和顶部籽晶法的高品质单晶生长相结合,发明导模提拉‑顶部籽晶法以实现高品质BRIG单晶的快速生长。首先采用导模提拉法快速生长与BRIG晶格适配度高、成分较接近的大尺寸掺杂稀土铁石榴石晶体,将其切割成厘米级以上籽晶,采用TSSG法快速生长高品质BRIG块状单晶。该方法生长的晶体具有内应力小、开裂少、均匀性好、晶体生长快等优点,在高性能磁光隔离器中有明显优势。
背景技术
非互易性磁光器件在光纤通讯、互联网、集成电路、智能电网等领域中发挥着关键作用。随着磁光器件朝小型化、集成化、高功率化发展,对磁光器件中的核心元件-法拉第转子材料提出了越来越高的要求,推动法拉第转子材料向着高透过、强磁光效应、低温度系数等方向发展。面对广阔的市场需求,掺杂铋离子的稀土铁石榴石晶体(BRIG)因其在近中红外波段具有高透过率和大比法拉第旋转角而成为法拉第转子材料的不二选择。然而,目前商用BRIG单晶薄膜的生长方法主要为液相外延(LPE)法,该方法需使用十分昂贵的衬底,且单晶薄膜在非平衡态下进行生长,晶体内部缺陷相对较多;外延单晶厚度薄,大于1mm的单晶薄膜生长困难。其次,LPE法所采用的助溶剂大多含氧化铅。氧化铅易腐蚀坩埚,且其毒性会对人体和环境产生危害。
顶部籽晶(TSSG)法设备简易、生长工艺简单可控、成本低,能够在平衡态下生长出应力小、离子分布均匀、结晶质量高的块体单晶。然而,使用该方法生长高质量单晶存在生长周期长、高适配度籽晶不易获得等问题。虽然亦可采用TSSG法生长高适配度籽晶,但存在生长周期长、成本高的问题。铽镓石榴石(TGG)晶体和钆镓石榴石(GGG)晶体也常被用作生长BRIG晶体的籽晶。然而,TGG和GGG的晶格常数较小,使籽晶与BRIG晶体之间的晶格失配度过大,由此导致所生长的BRIG晶体的内应力大、内部开裂和包络缺陷多。而且TGG和GGG做籽晶也更容易导致籽晶中Ga3+
离子进入所生长晶体,影响晶体的磁性和磁光性能。相比于TGG和GGG晶体,使用导模提拉法快速生长的掺杂稀土铁石榴石晶体可以通过选择适当的掺杂离子和掺杂浓度获得与BRIG晶体更相近的晶格常数和热膨胀系数,用其做籽晶可以大幅度提高所生长BRIG晶体的内部质量。而且采用厘米级以上这类籽晶还可大幅缩短TSSG法的生长周期。然而,由于掺杂稀土铁石榴石是非同成分熔融的化合物,无法采用传统的提拉法快速生长出大尺寸单晶。本发明将第一发明人之前发明的导模提拉法生长铽铝石榴石的方法(ZL201010154255.5)进行优化,通过调整熔体组分、导模模具、温场、生长速率等工艺参数,通过多轮实验后成功生长获得厘米级以上、与BRIG晶格适配度高的掺杂稀土铁石榴石单晶。之后将所生长晶体切割用作籽晶,采用TSSG法生长获得高质量BRIG单晶。生长过程中,籽晶尺寸越大,BRIG单晶的生长周期越短、成本越低。
本发明无LPE法中存在的外延基片昂贵、铅污染、非平衡态生长、单晶薄膜难长厚等问题,相比TSSG法具有生长周期更短,成本更低等优点,因而在单晶品质、成本两方面具有明显优势。
实现思路