氧分压对PLD法生长Bi：YIG薄膜结构性能的影响

王娟娟

(吕梁学院 化学化工系，山西 离石 033001)

0 引言

当入射光线照射磁性物质时，会被磁性物质反射或者直接穿透.这种对于具有透光性，且透射物体时自发产生了不同磁化强度的特殊的光学特性，比如偏振面发生了旋转等现象，被称为磁光效应[1].磁光材料是指在光照射物体时，使物体在某些特定波段产生磁化强度而表现出的各种的磁光效应特性的光信息功能材料.利用磁光材料这种特殊的磁与光之间相互影响、调节的特殊功能，可以构成具有光偏频、光隔离、光调制、光信息处理等光电磁转换功能的磁光器件.像磁光隔离器就是基于磁光材料的法拉第旋转效应工作的，其中隔离器的主要组成部分是偏振片、石榴石晶体旋转器以及外加磁场的磁体，因此石榴石晶体的结构的好坏直接影响器件的性能[2，3].石榴石型铁氧体(R3Fe5O12，简写为RIG)，是一种典型的非常有应用前景的磁光材料，由于其具有大的比法拉第旋转角，且物理性质稳定，同时来源丰富等优点，所以成为主要的研究对象并己经实现商业化.在石榴石型磁光材料中，稀土钇铁石榴石材料(Y3Fe5O12，简写为YIG)由于近红外波段吸收小，比法拉第旋转效应大，是一种最为典型的磁光法拉第材料[4-6].

Bi掺杂是目前研究得较多的一类石榴石型铁氧体材料.Bi掺杂钇铁石榴石(Bi：YIG)在可见光至红外波段大大增强材料的磁光特性，而未掺杂的石榴石的法拉第旋转角相比较还是很小的，根本不具备很强的实用价值.Bi掺杂钇铁石榴石(Bi：YIG)薄膜以其高透明性和优异的磁光性能而受到广泛的关注. 最近几年，在硅基片上淀积生长Bi：YIG薄膜已取得重大进展[7，8]，在器件设计方面显示出很强的优势灵活性和大规模集成能力. 使用脉冲激光沉积(PLD)，可以得到更纯的多晶Bi：YIG磁光薄膜.应用Bi掺杂的磁光薄膜可以制作更紧凑环形谐振器、光隔离器等光学器件.因此Bi：YIG是目前应用最广泛、最有发展前途的磁光材料[9-11].

本论文通过用脉冲激光沉积PLD法在硅基片上直接淀积Bi1.5Y1.5Fe5O12纳米薄膜，通过控制淀积过程中基底温度仪，并且改变生长过程中的氧分压来改变Bi在Bi：YIG薄膜中的溶解度，来调节生成的薄膜的相结构.然后通过XRD表征得到理想的石榴石相结构.

1 实验

脉冲激光沉积(PLD)是结合了蒸发和溅射的特点，利用激光对物体表面进行轰击产生等离子体，然后将轰击出的等离子体淀积在基底上所得到薄膜的这样一种物理气相沉积法，由于其所得的样品纯度较高，被广泛的用来生长复杂的氧化物薄膜和外延生长[12，13].应用PLD法制备薄膜的主要工艺参数包括激光能量、激光频率、反应气氛、靶材与基底的距离、基底温度、退火气氛、退火温度以及退火时间，都会影响薄膜的质量.一般在生长薄膜中，使用最多的激光源是 248 nm KrF准分子激光(脉冲频率为2-30 Hz，脉冲宽度为25 ns)，这个波段的激光能量可以有效的被吸收，并且产生等离子体，等离子体向基片移动最终沉积在基片上形成薄膜，同时基片需要加热到高温使薄膜结晶.为了保证材料的纯度，腔体需要保证高的真空度.基片通常放置在离基片5 cm左右的位置.

脉冲激光沉积可以同时生长多层或者多种掺杂的氧化物薄膜，薄膜的化学计量比与靶材一致，所以PLD沉积很大程度上依赖于靶材的质量[14].本论中所用到的陶瓷靶材是Bi1.5Y1.5Fe5O12材料.

1.1 样品制备与表征

本论文采用脉冲激光淀积(PLD)法，通过控制不同氧分压在硅基片上一步淀积制备了不同结构的Bi1.5Y1.5Fe5O12磁光薄膜.具体生长工艺如下：前处理，依次采用丙酮、去离子水、无水乙醇于超声波清洗 Si基片；然后将清洗好的Si基片放在样品台中心.制备过程：制备实验在PLD(脉冲激光)腔体中进行的，PLD腔体在淀积前预抽真空至5×10-7Torr，淀积时，首先控制温度为300℃的情况下，反应氧分压分别为10 mTorr、40 mTorr、100 mTorr. 后处理：将Si衬底放置在离靶材约55 mm的加热装置上，将激光能量为100 MJ的KrF激光束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2 mTorr氧分压及800℃退火炉中快速退火，得到结晶的样品薄膜，严格的退火温度也是影响薄膜结晶的重要因素，在退火过程中，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.

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，以确定样品的适当的生长工艺和生长条件.

2 结果与讨论

2.1 Bi1.5Y1.5Fe5O12薄膜的XRD图

图1是Si衬底温度固定在300℃，三种不同淀积氧分压10 mTorr，40 mTorr，100 mTorr下生长的Bi:YIG薄膜样品所对应的 XRD 图谱.通过Jade软件分析，与标准谱图对比，可以看出样品呈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.从XRD谱图可以看出氧分压高于100 mTorr时，结晶效果很差，得不到我们所需要的石榴石相结构.所以我们淀积过程中氧分压需要合理控制，且不能太高.氧分压控制在10 mTorr和40 mTorr的两个样品均表现出良好的结晶效果，且在40 mTorr时峰强更强.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.因此在生长过程中需要合理控制氧分压，并且整个淀积过程中每一步影响因素都需要严格控制.

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.样品的晶粒尺寸计算基于谢乐公式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是最强峰(420)衍射峰的半高宽，λ是X射线波长.

图1 Si基底上制备的Bi1.5Y1.5Fe5O12/Si薄膜的XRD谱图

表1300℃下，不同反应气氛的Bi:YIG薄膜的基本结构参数

氧分压(mTorr)晶粒尺寸(nm)晶格常数(420)1043.812.40064042.412.4316

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[15].

从表1中发现Bi：YIG薄膜的晶粒尺寸接近理想YIG(43.125 nm)，晶格常数总是大于且接近YIG(12.376 nm)的晶格常数，说明整个生长过程中，所淀积的薄膜结晶效果理想，晶格常数稍大是由于Bi3+(0.111 nm)的半径大于Y3+(0.106 nm)的半径，取代后造成晶格膨胀，引起晶格常数增大.

3 结论

采用PLD法在硅基片上制备了Bi：YIG样品薄膜，发现在淀积生长的薄膜Bi1.5Y1.5Fe5O12Si的过程中氧分压不能太高，并且在较低氧分压下都可以生长出标准石榴石相.