一种巨磁光效应的钇铁石榴石/铋异质薄膜及其制备方法与流程

本发明涉及新材料技术领域，尤其涉及一种巨磁光效应的钇铁石榴石/铋异质薄膜及其制备方法。

背景技术：

在现代社会生产和科学技术中,磁性材料和磁效应在许多方面已经获得重要的应用。近年来,随着磁学研究的发展,在一些新的磁性材料中发现若干磁效应有着很大的,甚至突破性的增长,称为巨磁效应。这些巨磁效应材料的研究和发展不但对磁学提出了重要的挑战,而且也为高新技术的应用提供了新的可能。

外加磁场或者材料特别是磁性材料内部磁状态的变化引起材料所透射或者反射光、或者发射光特性的改变成为磁光效应。但是，近年来随着巨磁效应研究的进展，信息新技术的要求，也相继研究出一些具有巨磁光效应的新磁性材料。

钇铁石榴石(yig)是迄今最透明的磁性材料，具有居里点在室温以上的有点，在光波长为1.2微米时，吸收系数可接近0.01厘米，有望成为最具应用前景的磁光材料。可是作为磁光材料，纯yig的磁光效应很弱，应用的光通信磁光开关器件需要对yig进行bi、lu、tm等元素的掺杂改性能增强其磁光效应，但存在晶格失配和几十微米超厚膜难制备的问题，且液相外延制备工艺十分复杂昂贵。

铋(bi)是最后一个不具有放射性的稳定元素，其原子序数很大，且是抗磁元素，能大大增强磁光效应，yig的磁光旋转来自于fe³⁺，但fe³⁺分布4个配位体的四面体中心或6个配位体的八面体中心，而bi离子由于太大只能进入8个配位体的十二面体中心，所以在yig中用bi置换fe非常困难，且对yig的磁光旋转增大有限。

分子束外延(mbe)技术是在极高的真空下，根据束流来控制生长速度，可以以非常缓慢的速度生长薄膜，能有效减少缺陷密度，得到高质量的薄膜。

技术实现要素：

基于背景技术存在的技术问题，本发明从一个新的角度提出一种相对简单可行的提高yig磁光旋转度的一种巨磁光效应的钇铁石榴石/铋异质薄膜及其制备方法。本发明所制得的钇铁石榴石/铋异质薄膜的磁光克尔角相对于纯的yig有很大提高。

本发明的技术方案如下：

一种巨磁光效应的钇铁石榴石/铋异质薄膜，包括采用液相外延在[111]晶向的钆镓石榴石(ggg)上生长的高质量单晶钇铁石榴石(yig)作为基片，以及所述的yig基片上利用分子束外延(mbe)技术生长很薄的一层铋得到钇铁石榴石/铋异质薄膜。

优选的，所述的钇铁石榴石基片的厚度为470～500nm。

优选的，所述的铋薄膜厚度为3～50nm。

一种巨磁光效应的钇铁石榴石/铋异质薄膜结构及其制备方法，包括以下步骤：

步骤1：选择以[111]晶向的钆镓石榴石(ggg)为基底，采用液相外延生长的高质量的钇铁石榴石(yig)，经过丙酮、酒精以及去离子水清洗，用氮气吹干，保证yig表面干燥洁净；

步骤2：将步骤1中干净的yig放入分子束外延(mbe)设备中生长铋薄膜。

优选的，所述的步骤2的具体过程为：

(1)在10^-9torr量级的真空环境下，以2～4℃/min的升温速率让yig基片加热到200～300℃处理40～60分钟，以去除其表面附着的气体与杂质，然后再以2～4℃/min的降温速率降温到95～105℃；

(2)在10^-9torr量级的真空环境下，以2～4℃/min的升温速率将体积百分比纯度高于99.99％的铋源加温到480～520℃；

(3)打开铋源的挡板，等待束流稳定，以0.4～0.6转每秒的转速匀速旋转yig基片，打开基片挡板，到达设定的生长时间后，关闭基片和铋源的挡板，降温至室温后取出，得到所述的钇铁石榴石/铋异质薄膜。

本发明的有益之处在于：本发明提出的提高yig磁光旋转度的一种巨磁光效应的钇铁石榴石/铋异质薄膜及其制备方法，简单可行的，所制得的钇铁石榴石/铋异质薄膜相对于无铋薄膜的钇铁石榴石(yig)的磁光克尔转角显著增大；本发明相比在yig中铋的置换掺杂，制备工艺简单，为异质结型磁光材料的制备与研究提供了一种新的方法，在光通信、磁光存储等众多领域有广泛的应用。

附图说明

图1为本发明实施例1所得到的钇铁石榴石/铋异质薄膜表面形貌afm测试图。

图2为使用英国durham公司制造的磁光克尔效应系nanomoke3测试的纯yig和实施例1以及实施例5的磁光克尔效应对比图；其中，点表示纯的yig在交替变化的磁场下磁光克尔转角随磁场的变化，虚线表示实施例1中使用分子束外延(mbe)技术生长10分钟铋薄膜的钇铁石榴石/铋异质薄膜的磁光克尔效应；实线表示实施例5中生长20分钟铋的钇铁石榴石/铋异质薄膜的磁光克尔效应。

具体实施方式

实施例1：

一种巨磁光效应的钇铁石榴石/铋异质薄膜，包括采用液相外延在[111]晶向的钆镓石榴石(ggg)上生长的高质量单晶钇铁石榴石(yig)作为基片，以及所述的yig基片上利用分子束外延(mbe)技术生长很薄的一层铋得到钇铁石榴石/铋异质薄膜。

所述的钇铁石榴石基片的厚度为490nm。

一种巨磁光效应的钇铁石榴石/铋异质薄膜结构及其制备方法，包括以下步骤：

步骤1：选择以[111]晶向的钆镓石榴石(ggg)为基底，采用液相外延生长的高质量的钇铁石榴石(yig)，经过丙酮、酒精以及去离子水清洗，用氮气吹干，保证yig表面干燥洁净；

步骤2：将步骤1中干净的yig放入分子束外延(mbe)设备中生长铋薄膜。

所述的步骤2的具体过程为：

(1)在10^-9torr量级的真空环境下，以3℃/min的升温速率让yig基片加热到200℃处理40分钟，以去除其表面附着的气体与杂质，然后再以3℃/min的降温速率降温到100℃；

(2)在10^-9torr量级的真空环境下，以3℃/min的升温速率将体积百分比纯度高于99.99％的铋源加温到500℃；

(3)打开铋源的挡板，等待束流稳定，以0.5转每秒的转速匀速旋转yig基片，打开基片挡板，此时真空计读数为2.6×10^-9torr，10分钟后，关闭基片和铋源的挡板，降温至室温后取出，得到铋薄膜厚度约3nm的钇铁石榴石/铋异质薄膜。

实施例2

一种巨磁光效应的钇铁石榴石/铋异质薄膜，包括采用液相外延在[111]晶向的钆镓石榴石(ggg)上生长的高质量单晶钇铁石榴石(yig)作为基片，以及所述的yig基片上利用分子束外延(mbe)技术生长很薄的一层铋得到钇铁石榴石/铋异质薄膜。

所述的钇铁石榴石基片的厚度为500nm。

一种巨磁光效应的钇铁石榴石/铋异质薄膜结构及其制备方法，包括以下步骤：

步骤1：选择以[111]晶向的钆镓石榴石(ggg)为基底，采用液相外延生长的高质量的钇铁石榴石(yig)，经过丙酮、酒精以及去离子水清洗，用氮气吹干，保证yig表面干燥洁净；

步骤2：将步骤1中干净的yig放入分子束外延(mbe)设备中生长铋薄膜。

所述的步骤2的具体过程为：

(1)在10^-9torr量级的真空环境下，以2℃/min的升温速率让yig基片加热到300℃处理40分钟，以去除其表面附着的气体与杂质，然后再以4℃/min的降温速率降温到95℃；

(2)在10^-9torr量级的真空环境下，以4℃/min的升温速率将体积百分比纯度高于99.99％的铋源加温到480℃；

(3)打开铋源的挡板，等待束流稳定，以0.6转每秒的转速匀速旋转yig基片，打开基片挡板，此时真空计读数为2.6×10^-9torr，10分钟后，关闭基片和铋源的挡板，降温至室温后取出，得到铋薄膜厚度约3.5nm的钇铁石榴石/铋异质薄膜。

实施例3

一种巨磁光效应的钇铁石榴石/铋异质薄膜，包括采用液相外延在[111]晶向的钆镓石榴石(ggg)上生长的高质量单晶钇铁石榴石(yig)作为基片，以及所述的yig基片上利用分子束外延(mbe)技术生长很薄的一层铋得到钇铁石榴石/铋异质薄膜。

所述的钇铁石榴石基片的厚度为470nm。

一种巨磁光效应的钇铁石榴石/铋异质薄膜结构及其制备方法，包括以下步骤：

步骤1：选择以[111]晶向的钆镓石榴石(ggg)为基底，采用液相外延生长的高质量的钇铁石榴石(yig)，经过丙酮、酒精以及去离子水清洗，用氮气吹干，保证yig表面干燥洁净；

步骤2：将步骤1中干净的yig放入分子束外延(mbe)设备中生长铋薄膜。

所述的步骤2的具体过程为：

(1)在10^-9torr量级的真空环境下，以4℃/min的升温速率让yig基片加热到250℃处理60分钟，以去除其表面附着的气体与杂质，然后再以2℃/min的降温速率降温到105℃；

(2)在10^-9torr量级的真空环境下，以2℃/min的升温速率将体积百分比纯度高于99.99％的铋源加温到520℃；

(3)打开铋源的挡板，等待束流稳定，以0.4转每秒的转速匀速旋转yig基片，打开基片挡板，此时真空计读数为2.6×10^-9torr，10分钟后，关闭基片和铋源的挡板，降温至室温后取出，得到铋薄膜厚度约3.2nm的钇铁石榴石/铋异质薄膜。

实施例4

本实施例与实施例1的区别为：步骤2中(3)所述的生长时间为15min，铋薄膜的厚度约为4.5nm。其余步骤与实施例1相同。

实施例5

本实施例与实施例1的区别为：步骤2中(3)所述的生长时间为20min，铋薄膜的厚度约为6nm。其余步骤与实施例1相同。

实施例6

本实施例与实施例1的区别为：步骤2中(3)所述的生长时间为25min，铋薄膜的厚度约为7.5nm。其余步骤与实施例1相同。

实施例7

本实施例与实施例1的区别为：步骤1中采用的yig基片为掺杂la的yig，步骤2中(3)所述的生长时间为15min，铋薄膜的厚度约为4.5nm。其余步骤与实施例1相同。

图2为使用英国durham公司制造的磁光克尔效应系nanomoke3测试的纯yig和实施例1以及实施例5的磁光克尔效应对比图。由图2可以看到，相对于没有铋薄膜的yig，在同样磁场下，本发明所制备的钇铁石榴石/铋异质薄膜的磁光克尔转角增大了许多，实施例1中的样品提升了47％，实施例5中的样品提升了68％。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。