一种磁光晶体材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及在RFeO3(R为稀土元素)掺杂Sm获得具有室温自旋重取向转变温度的Sm1 xRxFe03磁光单晶体材料，属于材料设计领域。
【背景技术】
[0002]RFeO3E铁氧体(R为稀土元素)是具有独特的磁性质的磁光晶体材料。磁光晶体主要应用于制作光隔离器、磁光存储器及磁光调制器、光纤通信与集成光学器件、计算机存储、逻辑运算和传输功能、磁光显示、磁光记录等。RFeO3正铁氧体这一系列材料在快速磁光开关、磁光传感器、磁存储等器件的开发上，显示出巨大的应用潜力，受到国内外物理和材料研究工作者的广泛关注。
[0003]但是，一般稀土铁酸盐RFeO3的自旋重取向温度均在101K量级，如TmFeOjP HoFeO 3自旋重取向温度分别为 80K、38 ?52Κ(参见 Nature.2004, 429:6994 !Nature Physics2009，5:10)，所以目前基于稀土铁氧体单晶材料的研究成果都是在低温下获得的，从而阻碍了该系列材料的应用研究。
【发明内容】
[0004]本发明旨在克服现有稀土铁酸盐RFeO3在自旋重取向温度方面的性能缺陷，本发明提供了一种磁光晶体材料及其制备方法。
[0005]本发明提供了一种磁光晶体材料，所述磁光晶体材料的组成化学式为Sm1 xRxFe03，其中，所述磁光晶体材料为单晶体，R包括Gd、Tb、Yb、Er中至少一种，X的取值范围为
0.2—0.8 ο
[0006]较佳地，当R为Tb时，所述磁光晶体材料的单晶体自旋重取向温度范围在300-450K 之间。
[0007]较佳地，当R为Gd时，所述磁光晶体材料的单晶体自旋重取向温度范围在240-400K 之间。
[0008]较佳地，当R为Yb时，所述磁光晶体材料的单晶体自旋重取向温度范围在140-440K 之间。
[0009]较佳地，当R为Er时，所述磁光晶体材料的单晶体自旋重取向温度范围在200-460K 之间。
[0010]又，本发明还提供了一种上述磁光晶体材料的制备方法，所述方法包括:
1)根据所述磁光晶体材料的组成化学式，称量Sm2O3粉体、R203粉体和Fe 203粉体，混合后在1000-1200°C下预烧，然后研磨得到原料粉体；
2)将步骤I)制备的原料粉体，先压制成圆柱体，再在垂直烧结炉中、1400-1560°C下烧结得到多晶料棒；
3)采用光学浮区法将步骤2)制备的多晶料棒用于生长晶体，籽晶为SmFeO3SRFeO3t3
[0011]较佳地，步骤I)中将Sm203、R20#P Fe 203混合后压制成块体再预烧，预烧的时间为10-15小时。
[0012]较佳地，步骤2)中，采用水等静压力机在60-100MPa下等静压，将原料粉体压制成圆柱体；烧结的时间为15-20小时。
[0013]较佳地，步骤3)中，光学浮区法的工艺参数包括:灯丝功率在65% -70%，上下棒旋转速度每分钟10-20转，生长速度1.0-4.0mm/h，晶体生长在空气气氛或氧气气氛中进行其空气流量为每分钟2-5L，氧气气氛时为每分钟0.2-1L。
[0014]较佳地，所述制备方法还包括步骤4):将步骤3)中生长完毕的晶体在800-1200°C退火时间为8-12小时。
[0015]本发明的有益效果:
SmFeO3在室温依然表现出优异的物理性能，在SmFeO3*掺入一定比例的稀土元素R，R3+部分取代SmFeO^ae格中的Sm3+获得具有室温自旋重取向温度的磁光晶体材料，并通过磁化强度的测试来筛选适宜的掺杂稀土元素R以及稀土R元素的最佳掺杂量。具有室温自旋重取向温度的稀土铁酸盐晶体，不仅具有非常重要的学术研究价值(如研究晶体的自旋输运机制、磁畴形成和运动机制以及室温下激光、电场、磁场诱导磁相变机制等)，也必将加速该系列材料在自旋电子器件中的应用。
【附图说明】
[0016]图1示出了本发明的一个实施方式中生长出的Sm1 xRxFe03单晶体；
图2示出了本发明的一个实施方式中生长出的Sma7Tba3Fe03a、c两个方向晶片在相同条件下测得的磁化强度随温度的变化关系，其中曲线a表示[100]方向，曲线c表示[001]方向。
【具体实施方式】
[0017]以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
[0018]本发明涉及SmFeO3中掺杂稀土元素R3+(R为Tb、Er、Yb和Gd等)获得具有室温自旋重取向转变温度的Sm1 xRxFeOjM光单晶体材料，属于材料设计领域。
[0019]其设计思想是:基于SmFeO3在室温依然表现出优异的物理性能，通过在SmFeO 3中掺杂稀土元素R3+(R为Tb、Er、Yb和Gd等)获得具有室温自旋重取向温度的新型磁光晶体材料。
[0020]本发明提供了一种新型磁光单晶Sm1 xRxFe03的设计及制备:选择合适的掺杂稀土元素R及其掺杂比例。初始原料由高纯(3N以上)Sm203、R2O3和Fe2O3组成，其中R为Gd、Tb、Yb、Er等稀土元素。
[0021]所述的单晶Sm1 xRxFe03的设计及制备，包括组分设计、单晶生长、样品测试等内容:
(I)组分设计:本发明的关键在于组分设计。一般RFe03(R为除了 Sm之外的稀土元素)的自旋重取向温度很低，只有几十K左右，通过在SmFeO3中掺杂一定比例的其他稀土元素获得了具有室温自旋重取向温度的新型磁光晶体材料；
原料配方初始原料采用Sm2O3和、R2O3(R为Tb、Er、Gd、Yb等稀土元素)和Fe2O3，三种原料按摩尔比等于1-x: X:1进行配料；
(2)单晶生长:按配方比例称取所有原料，充分混合均匀后压制成块，然后在马弗炉中100tC预烧10h，之后再将原料进行研磨，将原料装入乳胶套中，用水等静压力机在60?10MPa压力下等静压成圆柱形料棒。原料棒在垂直烧结炉以1400 — 1560°C烧结10_20h，使其充分反应得到多晶料棒。再采用光学浮区法生长上述单晶体，籽晶采用结晶良好的SmFeO3单晶或RFeO3单晶，晶体生长在空气气氛或氧气气氛中进行。生长完成后，在马弗炉中退火1h ；
(3)样品测试:将生长出的单晶体劳厄定向后切割成晶片，抛光后在物性测量系统(PPMS-9, Quantum Design Inc.)上测试不同晶向的磁化强度随温度的变化关系。根据磁化强度随温度的变化关系得到其自旋重取向温度范围，以此来确定Sm1 xRxFe03中适宜的掺杂元素R以及稀土 R元素的最佳掺杂量；
即将上述生长出的单晶体Sm1 xRxFeO#lj用劳厄定向后并切割成晶片，然后抛光在物性测量系统(PPMS-9, Quantum Design Inc.)上测试不同晶向的磁化强度随温度的变化关系，确定Sm1 xRxFe03单晶体材料中适宜的掺杂稀土元素R以及稀土 R元素的最佳掺杂量。图2所示为相同条件下测得的Sm。.Jba3FeO3单晶体不同晶向的磁化强度随温度的变化关系。图中曲线a表示[100]方向，曲线c表示[001]方向。从图中可看出低温下[100]晶向比
[001]晶向更容易磁化，在350K附近易磁化轴由[100]晶向转变至[001]晶向，单晶体自旋重取向温度范围在330K?360K。
[0022]通过在SmFeO3中掺杂其他稀土元素R以获得具有室温自旋重取向的Smi义^03的单晶。
[0023]通过磁化强度的测试来进一步确定Sm1 xRxFe03中适宜的掺杂元素R及稀土 R元素的最佳掺杂量。<