王娟娟，李旭辉，曹 阳，贾胜利

(1.吕梁学院 化学化工系，山西 吕梁 033001；2.关帝山国有林管理局 千年林场，山西 吕梁 033001)

近来，随着人类信息技术的发展及对现代化信息处理技术不断的追求，具有在光通讯、信息存储和光隔离器等方面强大功能磁光材料的应用越来越广泛[1-2]。鉴于石榴石型铁氧体(R3Fe5O12)特殊的物理化学性能，它成为众多研究者追逐的一种优异的磁光材料。而钇铁石榴石(YIG，yttrium iron garnet)更是典型的磁光法拉第材料，因为它的近红外特性和有选择的透光性能，从而吸引了更多的研究跟商业价值；同时纯的YIG薄膜的磁光效应较弱，不满足器件发展的需求，所以YIG的改性一直是磁光器件发展的一个瓶颈问题[3-4]。大量研究发现，在YIG的24C晶格位置掺入少量的Bi3+杂质离子后，可以有效提高材料的法拉第旋转角和磁光特性[5-6]，但具体能改善多少，需要进一步来验证。因此，这一发现使人们看到了磁光材料具有巨大的应用前景，Bi掺杂YIG(Bi：YIG)薄膜是一种制备磁光器件非常理想的薄膜材料[7]。

本论文将重点探讨，利用脉冲激光淀积PLD方法通过控制不同工艺参数制备的Bi掺杂YIG(Bi：YIG)磁光薄膜，比较了不同薄膜样品的物相结构和磁光性能，取得了有一定意义的结果，发现生长了种子层的薄膜结晶效果很好，且磁光旋转角可以达到-0.2o/μm，可以做为现在磁光隔离器和光通讯系统的首选材料。

1 实验

1.1 样品制备

采用脉冲激光淀积(PLD)法，通过不同工艺制备了不同性能的磁光薄膜：本论文分别采用单步和两步淀积法生长了Bi1.5Y1.5Fe5O12磁光薄膜。

单步淀积：在硅衬底上直接淀积Bi1.5Y1.5Fe5O12薄膜样品。在单步淀积过程中，通过控制不同衬底温度和反应氧分压制备了不同的Bi掺杂的YIG(Bi1.5Y1.5Fe5O12)薄膜样品。具体步骤如下，基片的处理与安装；基底温度与反应氧压的调节；然后控制反应氧分压及衬底温度。 薄膜的淀积和快速退火处理：将Si衬底放置在离靶材约55mm的加热装置上，将激光能量为100mJ的KrF激光束(波长为248nm，脉冲频率为5Hz，脉冲宽度为25ns)照射在不停旋转的多晶Bi:YIG的靶材上，淀积薄膜；淀积完成后，保温一段时间，在2mTorr氧分压及800℃退火炉中快速退火，得到结晶的样品薄膜。

两步淀积：先在硅衬底上生长一层种子层YIG，然后再淀积Bi1.5Y1.5Fe5O12薄膜，生成Bi1.5Y1.5Fe5O12/YIG/Si薄膜样品。

1.2 样品表征

采用X射线衍射技术(XRD)测定了样品的XRD谱，并用Jade软件分析确定了样品的晶格常数及晶粒尺寸。采用法拉第旋转仪测试了Bi:YIG样品的法拉第旋转角，以确定样品的最佳生长工艺。法拉第旋转是指光经过磁光材料时电场极化方向的旋转，法拉第旋转是来源于磁光材料中介电常数的非对角元的存在，本论文中使用的自制的法拉第旋光测试装置，激光器产生连续的1550 nm 激光。

2 结果与讨论

2.1 单步淀积不同条件下Bi1.5Y1.5Fe5O12/Si薄膜的物相结构的影响

图1是在不同条件下硅衬底上直接淀积Bi：YIG样品所对应的XRD谱图。与标准卡片对比可以看出，样品出现典型的石榴石型铁氧体结构YIG的(400)、(420)、(422)、(521)晶面反射，表明样品的主要物相为具有立方晶系的典型的石榴石型铁氧体结构，但其结晶效果却又差异。图1(a)是Si衬底温度固定在550℃，四种不同淀积氧分压下Bi:YIG薄膜样品所对应的 XRD 图谱，从XRD谱图可以看出氧分压低于10mTorr时，(400)峰明显消失，结晶效果很差，所以我们淀积过程中氧分压需要合理控制，且不能太低。氧分压控制在20和40mTorr的两个样品均表现出良好的结晶效果。说明部分Bi3+取代Y3+不会影响YIG的晶体结构，并且氧分压的变化对结晶有很大的影响。图1(b)是在恒定10mTorr氧分压下，五种不同基底温度下淀积的薄膜样品的XRD谱图，可以看出温度在600℃时，(420)峰的旁边会有明显鼓包生成，结晶效果不理想，同时发现温度越高，(400)峰会消失，都会影响结晶效果。在300℃时，峰强最强，并且结晶效果最好。所以单步淀积过程中，需要较低的温度和较高的氧分压，是最适合生长Bi:YIG薄膜的条件。

(a)基底温度550℃，氧分压分别为5、10、20、40 mTorr；(b)基底温度分别为300℃、400℃、500℃、550℃、600℃，氧分压为10 mTorr图1 Si基底上制备的Bi1.5Y1.5Fe5O12/Si薄膜的XRD谱图

2.2 两步淀积不同条件下Bi1.5Y1.5Fe5O12/YIG/Si薄膜的物相结构

图2是用PLD法通过不同与直接在硅衬底上淀积Bi1.5Y1.5Fe5O12工艺生长的薄膜，首先在Si基片上生长了一层20nm YIG种子层，通过设定不同基底温度和氧分压使种子层结晶，然后在种子层上淀积薄膜得到Bi1.5Y1.5Fe5O12/YIG/Si 薄膜的 XRD 图谱。通过分析，可以看出生长了种子层的薄膜结晶效果明显好于单层一步得到的薄膜，杂峰减少，生长的晶体纯度提高。

基底温度分别为550℃、600℃，氧分压分别为50、100、150 mTorr

图2 Bi1.5Y1.5Fe5O12/YIG/Si薄膜的XRD谱图

表1中列出了不同样品用Jade软件计算的晶粒尺寸和晶格常数。其中样品的晶粒尺寸计算可用谢乐公式D=0.9λ/βCOSθ，其中：D是垂直于晶面方向上晶粒的平均尺寸，β是最强峰(420)衍射峰的半高宽，λ是X射线波长。晶格常数是根据(420)峰对应的晶面间距，h、k、l密勒指数计算得。

表1 不同工艺条件下的Bi1.5Y1.5Fe5O12/YIG/Si薄膜薄膜的基本结构参数

从表1中发现Bi：YIG薄膜的晶格常数总是大于YIG(12.376)的晶格常数，这是由于Bi3+(0.111nm)的半径大于Y3+(0.106nm)的半径，取代后造成晶格膨胀，引起晶格常数增大。同时我们会发现，在相同条件下温度升高，晶格常数会增加，这说明，温度升高，晶格热震动增强，并且离子交换速率将会提升，这促进了铁氧体晶体的生长。

2.3 Bi:YIG薄膜的磁光性能分析

(a)基底温度550℃，氧分压分别为5、10、20、40 mTorr，Bi1.5Y1.5Fe5O12/Si的法拉第旋光曲线；(b)基底温度分别为300℃、400℃、500℃、550℃、600℃，氧分压为10 mTorr，Bi1.5Y1.5Fe5O12/Si的法拉第旋光曲线图3 Si基底上制备的Bi：YIG薄膜的法拉第旋光曲线

图3 所示为 Bi：YIG 薄膜在 1550nm 波段的室温法拉第旋光曲线： (a)单步淀积在10mTorr氧分压，不同基底温度下Bi1.5Y1.5Fe5O12/Si薄膜的法拉第旋光曲线，可以看出在相同温度下氧分压不能太低，跟XRD图结果一致；比法拉第旋转角0.015之间微小变动；(b) 生长了种子层YIG的磁光薄膜在不同反应氧分压下Bi1.5Y1.5Fe5O12/YIG/Si的法拉第旋光曲线，可以看出温度越高，法拉第旋转角越大。实验中磁场方向垂直于薄膜表面。

从图3可以看出生长了种子层的100nmBi1.5Y1.5Fe5O12薄膜的法拉第旋转角明显增大到0.02°，即比法拉第角为-0.2o/μm。综合考虑，在整个生长工艺中，采用两步生长，不仅有好的结晶效果，并且有大的法拉第旋光特性，大大提高了材料的使用范围。

3 结论

采用PLD法制备了Bi：YIG样品薄膜，一步淀积生长的薄膜Bi1.5Y1.5Fe5O12Si和生长了种子层的Bi1.5Y1.5Fe5O12/YIG/Si ，我们发现生长了种子层的薄膜明显比一步淀积结晶效果好，有较好的石榴石相产生；并且发现在生长过程中600℃，150mTorr是最适合结晶的生长工艺，此时得到的薄膜有较高的法拉第旋转角-0.2o/μm，有利于制作法拉第旋转角大的磁光材料。