专利名称：静磁波器件及其原材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种静磁波器件以及制造这种器件的材料。
含Fe的磁石榴石单晶历来都用作静磁波器件的材料。具体地说，Y3Fe5O12(以下简称“YIG”)单晶，其铁磁半幅值(ΔH)小，因而用YIG制造静磁波器件时能使输入信号与输出信号之间的信号差变小，所以YIG历来得到广泛的应用。
这种石榴石单晶是用例如液相外延生长法作为外延生长在诸如G3Gd5O12(以下简称“GGG”)之类的衬底上的薄膜制取的。
采用YIG单晶的静磁波器件，其工作频率约为2京赫。但静磁波器件用作广播卫星(BS)调谐器的杂波滤波器时，其工作频率要求在数百兆赫至数十万兆赫的范围。
在静磁波(MSW)模式下选用静磁体积前进波(MSFVW)模式时，器件的工作频率可用(1)式表示ω＝γ(Hex-N·4πMs)(1)其中，ω为频率；γ为回转磁比；Hex为所加的磁场；N为去磁系数；4πMs为饱和磁化强度。
采用静磁表面波(MSSW)模式时，器件的工作频率可用(2)式和(3)式表示。
ω＝γ{Hi(Hi＋4πMs)}1/2(2)Hi＝Hex－N·4πMs＋Ha (3)其中，Hi为内部磁场；Hex为所加的磁场；N为去磁系数；4πMs为饱和磁化强度；Ha为各向异性磁场。
因此，为降低静磁波器件的工作频率，须要减小外部磁场或饱和磁化强度。
因此，本发明的目的是提供一种能在较低的频率(例如数百兆赫至数十万兆赫范围的频率)下工作的静磁波器件以及用以制造该器件的材料。
本发明的静磁波器件由通式为R3－xCaxma5－2y＋xZryMby－xO12的磁石榴石单晶薄膜组成，其中R为Y、La、Bi、Gd、Lu和Sc的起码其中之一元素，Ma为Fe、Ga和Al的起码其中之一元素，Fe为必不可少的成分，Mb为Mg和Mn的起码其中之一元素，同时满足以下不等式条件0≤x≤1，0.1≤y≤1，且x＜y。
在一个实施例中，磁石榴石单晶薄膜在以下任一个衬底上形成Gd3Ga5O12衬底、Sm3Ga5O12衬底和Nd3Ga5O12衬底。
规定磁石榴石单晶薄膜按上式配方组成可以制取饱和磁化强度值和铁磁半幅值都小的磁石榴石单晶薄膜。此外，在GGG衬底、Sm3Ga5O12(以下简称SGG)衬底或Nd3Ga5O12(以下简称NGG)衬底上也可以制取饱和磁化强度值和铁磁半幅值都小的磁石榴石单晶。
因此，采用磁石榴石单晶薄膜可以制取工作频率低或通带比采用一般磁石榴石薄膜的器件的低的静磁波器件。
图1是本发明一个实施例的杂波滤波器的透视图。
下面就一些实施例进一步说明本发明的静磁波器件。在这些实施例中，磁石榴石单晶薄膜用液相外延生长法形成，并用如此形成的薄膜制造静磁波器件。实施例1制备GGG(Gd3Ga5O12)衬底，在该衬底上形成石榴石单晶薄膜。制备Fe2O3、Y2O3、CaCO3、Sc2O3、Lu2O3、Ga2O3、Al2O3、ZrO2、MnO和MgO，作为石榴石单晶薄膜的原材料。这些原材料与作为溶剂的PbO和B2O3混合，制取组成的如表1所示的石榴石单晶。这些制备出来的单晶分别装入一个铂坩埚中，在大约1200℃下徐徐加热，使其熔化。
表1中，标有星号(*)的单晶是不在本发明的范围内。
表1
保持如此制备好的石榴石原材料熔融料在大约900℃的恒定温度下，使其进入过饱和状态。将GGG衬底浸渍在熔融料中，边转动边使其生长，历时预定的时间。接着，将衬底从溶融料中抽出，使其高速转动，以便借助离心力将附着的溶料从石榴石单晶薄膜上除去，于是得出石榴石单晶薄膜。
得出的石榴石单晶薄膜用电子自旋共振(ESR)仪进行分析以测定其饱和磁化强度(4πMs)和铁磁半幅值(ΔH)。此外还用X线衍射学测定其晶格常数。这些结果如表1中所示。
图1示出了作为本发明最佳实施例静磁波器件的一个实例的杂波滤波器。该杂波滤波器的GGG衬底1上形成有可按上述方法制备的石榴石单晶薄膜2。杂波滤波器的石榴石单晶薄膜2上还形成有一对电极3。为确定工作频率而测定了滤波器的工作特性。测定结果也列于表1中。静磁波器件工作频率值中的(-)号表示这种组成用以制造静磁波器件时其输入功率损耗增加，且静磁波器件没有滤波器特性。
图1中，符号H表示测定滤波器特性过程中外磁场的施加方向，Iin表示微波进入的方向，W表示静磁表面波(MSSW)的传播方向，Iout则表示微波产生的方向。
从表1中可以看到，本发明的石榴石单晶薄膜，在1460至370G的范围，其4πMs值比1号试样一般材料的YIG单晶薄膜的小，而其ΔH值则与该对比薄膜的类似。因此，制成的静磁波器件的工作频率可降低到400～1500兆赫的范围而保持ΔH几乎与一般YIG单晶薄膜同样的值。
相反，ca的值即x的值超过1.0时(如22号试样所示的那样)，ΔH的值显著增加，因而制造出来的静磁波器件没有滤波器特性。
从2号、4号、10号、14号和18号试样可以看出，当Zr的值，即y的值低于约0.1时，4πMs几乎等于YIG的相应情况，这是我们所不希望有的。另一方面，当Zr的值，即y的值超过约1.0时，如5号、9号、13号、17号和21号试样所示的那样，ΔH的值等于或大于3.5Oe，因而制造出来的静磁波器件的输入功率损耗增加，且没有滤波器特性，从而传这种材料不能用作静磁波器件。实施例2制备NGG(Nd3Ga5O12)衬底、在衬底上形成石榴石单晶薄膜。制备石榴石单晶薄膜的原材料Fe2O3、Y2O3、Gd2O3、Lu2O3、ZrO2、MnO和MgO。将这些原材料与作为溶剂的PbO和B2O3混合，制取组成列于表2中的石榴石单晶薄膜。将如此制备好的单晶分别装入铂坩埚中，在大约1200℃下徐徐加热，使其熔化。
保持如此制备好的石榴石原材料熔料在大约900℃的恒温下，使其进入过饱和状态。将NGG衬底浸渍在熔料中，边转动边使其生长，历时预定的时间。接着，将衬底从熔料中抽出，使其高速转动，以便借助离心力将附着的熔料从石榴石单晶薄膜上除去，于是得出石榴石单晶薄膜。表2中标有星号(*)的单晶是不在本发明的范围内。
表2
用实施例1同样的程序对所得出的石榴石单晶薄膜进行分析，以测定其饱和磁化强度(4πMs)、铁磁半幅值(ΔH)和晶格常数。结果如表2中所示。
与实例1类似，用得出的石要榴石单晶薄膜制造杂波滤波器。为确定工作频率，测定了滤波器的特性。结果如表2中所示。静磁波器件工作频率中的(-)号表示，这种组成用来制造静磁波器件时，组成的输入功率损耗增加，且静磁波器件没有滤波器特性。
从表2中可以看到，本发明的石榴石单晶薄膜，在500至1410G的范围，其4πMs值比一般材料(即实施例1的1号试样)的YIG单晶薄膜的类似。因此，制成的静磁波器件的工作频率可降低到600至1500兆赫的范围。
相反，Zr的值，即y的值小于约0.1时，如23号试样所示，4πMs的值几乎等于YIG的相应的情况，这是我们所不希望有的。另一方面，当Zr，即y的值超过约1.0时，如26号试样所示的那样，ΔH的值等于或大于4.0Oe，且没有滤波器特性，而因这种材料不能用作静磁波器件。实例3制备SGG(Sm3Ga5O12)衬底，在衬底上形成石榴石单晶薄膜。制备石榴石单晶薄膜的原材料Fe2O3、Y2O3、Bi2O3、La2O3、ZrO2、MnO和MgO。将这些原材料与作为溶剂的PbO和B2O3混合，制取组成列于表3中的石榴石单晶薄膜。将这些制备好的单晶分别装入铂坩埚中，坩埚在垂直电弧炉中固定，并在大约1200℃下徐和作加热，使单晶熔化。
表3中，标有星号(*)的单晶不在本发明的范围内。
表3
保持如此制备好的石榴石原材料熔料在大约900℃的恒温下，使其进入饱和状态。将SGG衬底浸渍在熔料中，边转动边使其生长，历时预定的时间。接着，将衬底从熔料中抽出，使其高速转动，以便借助离心力将附着的熔料从石榴石单晶薄膜上除去，于是得出石榴石单晶薄膜。
用实例1同样的程序对所得出的石榴石单晶薄膜进行分析，以测定其饱和磁化强度(4πMs)、铁磁半幅值(ΔH)和晶格常数。结果如表3中所示。
与实例1类似，用得出的石榴石单晶薄膜制造杂波滤波器。为确定工作频率，测定了滤波器特性。结果如表3中所示。静磁波器件工作频率中的(-)号表示，这种组成用来制造静磁波器件时，组成的输入功率损耗增加，且静磁波器件没有滤波器特性。
从表3中可以看到，本发明的石榴石单晶薄膜，在480至1400G的范围，其4πMs值比一般材料(即实施例1的1号试样)的YIG单晶薄膜的小，而其ΔH值则与该对比薄膜的类似。因此，制成的静磁波器件的工作频率可降低到600至1500兆赫的范围。
相反，Zr的值，即y的值小于约0.1时，如27号和31号试样所示，4πMs的值几乎等于YIG的相应情况，这是我们所不希望有的。另一方面，当Zr即y的值超过约1.0时，如30号和34号试样所示的那样，ΔH的值等于或大于4.0Oe，且没有滤波器特性，因而这种材料不能用作静磁波器件。
上面的实例是就采用液相外延伸长方法制造磁石榴石单晶薄膜的情况举例的实例。但本发明并不局限于上述实例中的所作的说明。就是说，用溅射法、CVD(化学汽相淀积)法和激光研磨法也同样可以达到本发明的效果。
在实例1至实例3中，杂波滤波器是作为本发明一个最佳实施例的静磁波器件进行说明的。但不言而喻，本发明还可应用到其它静磁波器件，例如可变滤波器、信噪比(S/N)增强器等。
权利要求
1.一种静磁波器件，由通式为R3－xCaxMa5－2y＋xZryMby－xO12的磁石榴石单晶薄膜组成，其中R为选在自Y、La、Bi、Gd、Lu和Sc组成的元素群的起码一个元素，Ma是Fe或Fe和Ga和Al组成的元素群的起码一个元素的组合，Mb为Mg和Mn的起码一个元素，且满足以下不等式的条件0≤x≤1，0.1≤y≤1，且x≤y。
2.如权利要求1所述的静磁波器件，其特征在于，所述磁石榴石单晶膜是形成于由选自Gd3Ga5O12、Sm3Ga5O12和Nd3Ga5O12组成的材料群的一种材料制成的衬底上。
3.如权利要求2所述的静磁波器件，其特征在于，所述x为0，且所述衬底为Sm3Ga5O12或Nd3Ga5O12。
4.如权利要求2所述的静磁波器件，其特征在于所述x为0.05至1，所述衬底为Gd3Ga5O12。
5.如权利要求4所述的静磁波器件，其特征在于，所述y大于x。
6.如权利要求1所述的静磁波器件，其特征在于，x为0。
7.如权利要求1所述的静磁波器件，其特征在于，x为0.05至1。
8.如权利要求7所述的静磁波器件，其特征在于，y大于x。
9.静磁波器件的一种材料，由通式为R3－xCaxMa5－2y＋xZryMby－xO12的磁石榴石单晶薄膜制成，其中R为选自Y、La、Bi、Gd、Lu和Sc组成的元素群的起码一个元素，Ma为Fe或选自Fe和Ga和Al组成的元素的起码一个元素的组合，Mb为Mg和Mn的起码其中之一，且满足下列不等式的条件0≤x≤1，0.1≤y≤1，且x≤y。
10.如权利要求9的所述的材料，其特征在于，磁石榴石单晶薄膜在一种选自Gd3Ga5O12、Sm3Ga5O12和Nd3Ga5O12组成的材料群的一种材料制成的衬底上形成。
11.如权利要求10所述的材料，其特征在于，x为0，且所述衬底是Sm3Ga5O12或Nd3Ga5O12.
12.如权利要求10所述的材料，其特征在于，x为0.5至1，且所述衬底是Nd3Ga5O12。
13.如权利要求12所述的材料，其特征在于，y大于x。
14.如权利要求9所述的材料，其特征在于，x为0。
15.如权利要求9所述的材料，其特征在于，x为0.05至1。
16.如权利要求15所述的材料，其特征在于，y大于x。
全文摘要
一种静磁波器件，由通过为R
文档编号H01P1/215GK1143270SQ9610221
公开日1997年2月19日 申请日期1996年5月10日 优先权日1995年5月10日
发明者藤野优 申请人:株式会社村田制作所