离子掺杂钇铁石榴石磁光材料研究进展

离子掺杂钇铁石榴石磁光材料研究进展 离 子 掺 杂 钇 铁 石 榴 石 磁 光 材 料 研 究 进 展 ，，纪 荣 进 方 才 翔 曾 燕 伟 ,南 京 工 业 大学材料科学与工程学院 ，南 京 ,,,:::, ，摘 要 综 述 了 钇 铁 石 榴 石 型 磁 光 材料的研究进展 以 及 通 过 离 子 掺 杂 提 高 单 晶 和 薄 膜 材 料 的 比 法 拉 第 旋 转 、,角 改 善 材 料 温 度 稳 定 性 以 及 近 年 来 受 到 重 视 并 有 望 在 磁 光 器 件 中 得 到 广 泛 应 用 的 低 成 本 钇 铁 石 榴 石 纳 米 晶有 机 分 散 介 质 复 合 薄 膜 材料的研究进展 与 存 在 的 问 题 ，概 述 了 目 前 实 际 使 用 中 的 磁 光 法 拉 第 转 子 材 料 的 应 用 情 况 ，并 展关 键 词 钇 铁 石 榴 石 离 子 掺 杂 磁 光 材 料 磁 光 器 件 望 了 高 性 能 磁 光 材 料 的 发 展 。,,中 图 分 类 号 文 献 标 识 码 :,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,:, ,,,,,::,,,,,,,,,,,,:,,,,,,, ，，，，,:,,,,,，, :,,,,,,,，，, ,,,,;,,,, ,，，,,:～::,:,,,,;,,,,,:,;,:;,,,，,,,;;,,,，,,,,,,,,;,,,,:,,;:～,:,:，,,,,,,:::,,,,,!,!,, ,, ,～;,,,;,,,;,;,,:～,,,,,:;,,,,,,,～,,,:,,,,;,,，,,,,,;, ,,,;,:,:,,:,,,,,;,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,!,,, ,,,:,,,,;,,;,;,,,,～,;,,,,:,～;;,～,,:;,;,,:,,,,,,,,:,,,,:,;,,;:,,,,,～;,,,:,;,;,,:,,,,,;,;,,,～,;!!,!,, ,,,,,,,,,:,,,,;,,,,,,～,:～～,:,,,,,;,:,,,:,,,,,:,，,,,;:,,,,,,;,,,:,～,,,;;,,,,,:,～;:,,,,:,;,,,,;～!,,,,,,!, ，,,,,,,;,,,,,,::,:,;,:,,:;,,，,,,,::,,,,,,,,,:,,;,,,,,,,;,,,,,;,,,,～,:～～,,;,;:;,,;,,,,,:,;,,,,!,!,, , ,,,,;,;,,:～,,,;,;,,,,,,;:;,,;,,,,:,,～;,,,:,,;,,,,,:,::,,,,,:,;,,,,,,,,,,,,;,,,:,,,:,,,,,,,;,::,!,,,!,,,,,, ，，,,:,,,;,,:;,,,,,,,,,～;,,:,,:,,,,,:,,,:,,:,,,,;,::,,:,,,,,,,,,:,,,:,,,,;,,,,,,,;:～,,,,;,,:;,～;,,,,～,,,,,,!, ,;,,;:,,,;:,,～;,;,;,:,;,,:,～,～～,,,,,,,;,::,,:,,,,,;,,,,,,,,,,,!,,, ，，，,,,:,,, ,,,,～,,,:,,,,;,,,,;,:,,,:,,,:,,,,,;,:,:,,:,,,,,;,,,,,,,,;,:,:,,:,,,;,,:;,,!,,,,,,, ，,、。，在 磁 场 的 作 用 下 物 质 的 电 磁 特 性 如 磁 导 率 磁 化 强 器 等 尖 端 技 术 领 域 年 日 本 电 气 公 司 首 次 ,,,, 用 度 、磁 畴 结 构 等,会 发 生 变 化 ，从 而 导 致 光 波 在 其 内 部 传 输 时 单 晶 薄 膜 制 备 光 纤 隔 离 器 ，大 大 提 高 了 光 纤 通,,,;:,,,、、各 种 传 输 特 性 如 偏 振 状 态 光 强 相 位 等 也 随 之 改 变 的 现 ,,,, ,,,。，信 的 质 量 从 年 代 末 期 开 始 研 究 人 员 着 重 于 通 过 离 子,:。 象 称 为 磁 光 效 应利 用 材 料 在 可 见 光 及 近 红 外 波 段 的 ,掺 杂 改 善 石 榴 石 材 料 的 磁 光 性 能 及 其 比 法 拉 第 旋 转 角 对 、、、，透 明 特 性 磁 光 效 应 以 及 光 电 磁 之 间 的 相 互 作 用 和 转 度 的 稳 定 性 的 研 究 其 中 具 有 高 比 法 拉 第 旋 转 角 的 ,,， 温 ,,、,， ,,, ，换 可 制 。，掺 杂 单 晶 薄 膜 得 到 广 泛 的 重 视近 年 来 研 :;,，, 究， 成 各 种 在 可 见 光 和 近 红 外 波 段 应 用 的 磁 光 器 件 如 光 调 制 、、。 , ，,器 光 隔 离 器 光 存 储 器 等 早 在 年 法 拉 第 ，,,,, ,,,,,,人 员 一 方 面 改 善 磁 光 器 件 的 设 计 开 发 集 成 光 路 ,，, ! 发 现 了 线 偏 振 光 通 过 沿 光 传 播 方 向 磁 化 的 介 质 时 其 偏 振 面 器 ,,，。 发 生 偏 转 的 现 象 即 法 拉 第 效 应 但 直 到 世 纪 年 代 ,,,,: ,: ，, 件以 提 高 器 件 性 能 另 一 方 面 则 是 探 索 新 材 料 及 其 合 成，，初 由 于 激 光 的 诞 生 以 及 光 电 子 技 术 的 应 用 对 磁 光 效 应 及 ，,与 制 备 的 新 工 艺 其 中 制 备 离 子 掺 杂 纳 米 晶有 机 分 散,，, ,,,。其 应 用 的 研 究 才 进 入 快 速 的 发 展 时 期 最 先 年 ,,,, ,,,:,钇 铁 石 榴 石 磁 光 材 料,, ,,,,, 。 介 质 复 合 薄 膜 的 研 究 是 该 领 域 研 究 工 作 的 热 点 之 一 ,，,报 道 了 钇 铁 石 榴 石 在 红 光 及 近 红 外 光 波 长 ,,;:,，,,,,,磁 光 隔 离 器 是 一 种 只 允 许 光 路 正 向 传 播 而 隔 断 光 线 ，范 围 内 的 法 拉 第 旋 转 以 及 光 吸 收 特 性 接 着 在 研 究 磁 光 晶 体 ，反 向 传 播 的 非 互 易 性 器 件 其 最 关 键 的 部 件 为 利 用 法 拉 第 ，中 法 拉 第 旋 转 原 理 的 基 础 上 于 年 提 出 了 包 括 光 调 制 ,,,, 。，效 应 改 变 光 的 偏 振 角 度 的 法 拉 第 转 子 目 前 光 纤 通 信 主 、、器 光 隔 离 器 磁 光 开 光 在 内 的 各 种 非 互 易 器 件 的 可 能 要 采 用 具 有 传 输 损 耗 小 的 波 长 为 或 的 单 模 光 。,,,,, ,,,,, 性 μμ。纤 ，在 这 样 的 波 长 范 围 内 磁 光 材 料 存 在 着 显 著 磁 光 法 拉 ,，, ,,年 代 初 出 现 了 引 人 注 目 的 液 相 外 延 法 生 长 石 榴 石 ,:，,， 第 ，晶 体 薄 膜 它 标 志 着 磁 光 材 料 由 块 状 晶 体 发 展 至 薄 膜 材 效 应 ，并 且 对 光 完 全 透 明 。高 性 能 磁 光 器 件 要 求 磁 光 ,，, ， 、、料 磁 光 材 料 的 研 究 领 域 扩 展 至 磁 泡 存 储 光 纤 通 讯 磁 光 ,,,，，,纪 荣 进 年 生 硕 士 从 事 磁 光 材 料 性 能 研 究曾 燕 伟 通 讯 作 者 ,,,,,,,,,,,,,,::,,;,:,,,,,,,,,, ，，,,:,,,,,,,,,,, 材 传 感 ,,,,,,;,,,,;,,:,,::,,!, 、，、，料 具 有 高 的 比 法 拉 第 旋 转 角足 够 小 的 光 吸 收 系 数 和 温 度转 角 较 高 且 原 料 丰 富 价 格 低 廉 因 此 是 公 认 的 最 具 发 展 前 θ,,,,,,， ，。 途 的 新 型 磁 光 材 料。但 是 ，掺 杂 在 实 际 材 料 制 备 过 程系 数 以 保 证 器 件 正 向 插 入 损 耗 低 和 足 够 高 的 温 度 稳 定 性 :; ,,， 。,，,中 存 在 较 大 困 难 一 方 面 是 由 于 处 于 十 二 面 体 配 位 的 晶 体 具 有 立 方 对 称 结 构 其 结 构 式 为 :;,，, ,, ,， ,， ,， ，,, ,,,,，,,,, ,，“,,”、“,,”、半 径 较 半 径 大 另 一 方 面 则 是 式 中 :,,,,,, ,:,,:,,,,;,; ::, ,,, ,,“”,,分 别 表 示 由 ,， ,， ,,,， ，,很 容 易 被 氧 化 成 更 为 稳 定 的 且 的 轨 、紧 密 堆 积 形 成 的 配 位 多 面 体 亚 点 阵 十 二 面 体 位 八 面 体 :;:;,,:;:, ,，道，位 和 四 面 体 位 。在 含 有 中 没 有 电 子 故 不 能 有 效 提 高 材 料 的 比 法 拉 第 旋 转 个 式 量 的 单 位 晶 胞 中 ，,，, ,, ,，, , ,， ,， 。角 占 据 个 十 二 面 体 位 ，而 则 分 别 占 据 个 八 面 体 在 等 采 用 射 频 溅 射 法 制 备 掺 杂 薄 膜 的 研 ,:,,:;,，, ,,:,;,, ,，,,,,究 ，、,,，中靶 材 的 名 义 组 成 得 到,,,,,,,,,:;, ,; , ,,, ,,, ,, ,,,，,， 。位 以 及 个 四 面 体 位 在 一 定 温 度 下 的 饱 和 磁 化 强，。度 是 各 亚 晶 格 饱 和 磁 化 强 度 的 矢 量 和 :因 为 非 磁 了 掺 杂 含 量 高 的 薄 膜 由 于 在 这 种 非 热 平 衡 条 ,,,,，, ,:; ,，, , , ,， ,， 件 ，，，含 量 可 以 很 高 但 是 是 否 均 以 下 制 备 薄 膜 薄 膜 中 性 离 子 且 八 面 体 的 磁 距 取 向 位 和 四 面 体 位 的 :;:;,, , ,; 相价 的 形 式 进 入 的 十 二 面 体 位 等 问 题 仍 有 待 进 一 步 研 ,，, : ,，,,,,,,， ，,反 故 有 。,,,,,,究 徐 海 涛 等 在 采 用 溶 胶 凝 胶 法 制 备 掺 杂 的 ,:;,，,,,,,,,,,,,, , ,,,， ，，、纳 米 粉 体 时 发 现 的 掺 量 最 高 为 当 掺 量 高 于 分 别 表 示 四 面 体 和 八 面 体 亚 晶 格 的 饱 和 磁 化 强 :; :,,,,,, ,,,,。 度 :,, ，。 时 样 品 中 出 现 杂 相 王 巍 等 在 用 共 沉 淀 法 制 备:;:, ，在 磁 化 达 到 饱 和 光 传 播 方 向 与 之 平 行 的 情 况 下 的 比 ,，, ,， ，掺 杂 的 纳 米 粉 体 时 也 发 现 相 似 的 问 题 始 终 :; ,，, 法 、拉 第 旋 转 角取 决 于 各 亚 晶 格 的 饱 和 磁 化 强 度 温 度 ,， θ, 有 ，以 的 形 式 存 在 不 能 进 入 的 晶 格 结 构 中 :;:;: ,，, , 以 , ,,,,,， 。 去 , ,,，,,,,,,,,,黄 敏 等 ,在 采 用 熔 盐 法 生 长 掺 杂 的 单 晶 时 发 ,,,,,，,,,:; ,，, θλλλ ,,, ,及 光 的 波 长 λ,， ,， ,， ，现 式 中 ,和 是 与 波 长 有 关 的 系 数 。 ，, , 通 过 复 合 掺 杂 具 有 弱 还 原 性 的 或 可 抑 制 ,,，～:; ,， ,， 向 早 期 的 磁 光 隔 离 器 多 采 用 单 晶 作 为 其 法 拉 第 转 子，,，, 的 转 化 将 的 掺 量 由 原 先 的 提 高 至 :;:,,,, :,,,:; ,,,,。,的 材 料 ，单 晶 通 常 采 用 助 熔 剂 法生 产 ，生 长 周 期 较 所 制 备 的 单 晶 的 比 法 拉 第 旋 转 角 在 ,，, :; ，～ , ,;::,,,, :,,,, ,,,,, , ,, 长 。,,,。 ，波 长 如 何 改 进 制 备 工 艺 时 为 ,,,,, ,,,,::,? μ提 高未 掺 杂 的 比 法 拉 第 旋 转 角 较 小 ，波 长 为 时 ，,，, ,,,,, μ,， 的 掺 杂 量 仍 是 研 究 工 作 的 重 点 。:;比 ,,,,，通 过 磁 光 效 应 的 唯 象 理 论 和 磁 光 量 子 理 论 的 研 究 人 们 法 拉 第 旋 转 角 为 ,,,，故 器 件 尺 寸 较 大 ，无 法 满 ,,:?:,,， ,， 、对 掺 杂 可 极 大 地 增 强 材 料 比 法 拉 第 旋 转 角 ,,:;,，, 足 的 。 微 观 机 制 有 了 更 深 入 的 理 解 一 束 沿 磁 化 强 度 矢 量 方 。，光 集 成 技 术 发 展 的 要 求 因 此 人 们 希 望 通 过 离 子 掺 杂 来 ，向 传 播 的 线 偏 振 光 可 分 解 为 两 束 等 幅 的 左 旋 和 右 旋 的 改 离 子 掺 杂 提 高 比 法 拉 第 旋 转 角 ,,, ,， ,， ,,,,。善 的 磁 光 性 能 其 中 和 掺 杂 单 晶 或 薄 ,,，,,,， 圆 偏 振 光由 于 在 可 见 光 与 近 红 外 光 波 段 可 诱 发 电 偶 极 ,，, ,,:;,，, 首 次 发 现 可 进 入 钇 铁 石 榴年 等,,,,,:,;,,,:, ,, ,， ,， ，、膜 材 料 的 比 法 拉 第 旋 转 角 得 到 很 大 的 提 高 但 ,,:;子 跃 迁 而 ,， ,， 石 的 十 二 面 体 位 ，当 取 代 中 的 后 ，材 料 的 比 ,,,，, ,,,,,掺 杂 。也 带 来 了 材 料 光 吸 收 系 数 及 温 度 系 数 变 大 的 问 题 ，使 其 具 有 不 同 的 传 播 速 度 从 而 导 致 通 过 介 质 后 它 们 的 相 位 法 ，。 变 化 情 况 不 同 使 线 偏 振 光 的 偏 振 面 转 过 了 一 定 的 角 度 一 ，拉 第 旋 转 角 的 方 向 由 正 向 变 为 负 向 材 料 的 比 法 拉 第 旋 转 ,，,,,,:,， ,， ，些 研 究 人 员认 为 由 于 的 能 级 与 的 能 级 角 ,,,,;,,,,， ,, ,， ,， ，十 分 接 近 的轨 道 与 的轨 道 及 的轨 ,,,,,,,:,,;,,,,,,,,,，,， 随 的 掺 入 量 的 增 加 而 线 性 增 加 ，其 绝 对 值 最 高 可 提 升 至 ,, 。，、显 著 增 强 黄 敏 等 的 热 力 学 稳 定 性 较 差 难 以 用 液 相 外 延 生 长 法以 磁 光 量 子 晶 格 理 论 计 算 了 ,,,;::,, ,,,, ,， ,， 道,, ,， ,， 。，,,原 先 的倍 左 右 但 是 十 二 面 体 位 的 被 完 全 取 代 ,:,,, ; 、，制 备 。年 等采 用 反 应 等 离 子 溅 射 沉 积掺 杂 的 晶 体 中 的 晶 场 能 级 波 函 数 及 能 态 ,，, ,,:;,,,, :，～,, ，，发 生 混 合 电 偶 极 子 跃 迁 几 率 大 为 增 加 从 而 使 得 磁 光 效 ,， ,， 间 ，、,,，电 偶 极 跃 迁 的 几 率 进 而 计 算 得 出 对 比 法 拉 第 旋 的 方 法 成 功 制 备 了 单 晶 薄 膜 所 采 用 的 衬,, :,，,,,,,;:,,,, 应 ,， ; ，。 掺 杂 的 ,,转 角 的 贡 献 计 算 值 与 实 验 值 较 为 符 合 对 于 底 材 料 为 与 晶 格 常 数 较 为 匹 配 的:;,,,;:,,,,,,,,,, ,,,, ,， ,,,,，,，钕 镓 石 榴 石 或 钪 置 换 的 钆 石 榴 石晶 体 而 言 的 与 能 级 间 的 电 偶 极 跃 迁 ，,,,,,,,,,:,,,,，, :;,,,,,, 是,，,。此 后 ，人 们 又 利 用 射 频 溅 射 法 ,,,:,,,,,,,,,,,, ,,,,。产 生 巨 磁 光 效 应 的 主 要 原 因 ,,、脉 冲 激 光 沉 积 ,,和 反 应 离 子 束 溅 射 沉 积离 子 掺 杂 对 光 吸 收 系 数 的 影 响,,,,，, ,,, ,,,:,， ，采 用 液 相 外 延 法 生 长 掺 杂 单 晶 薄 膜 时 通 常 采 ,,,，, ,,等 制 备 了 各 种 高 掺 的 单 晶 磁 光 薄 膜 ，为,，,,,,,，, 。用 的 助 熔 剂 为 体 系 薄 膜 对 光 的 吸 收 的 根 源 在 于 ,,:,:,,, 。集 成 化 小 型 磁 光 隔 离 器 的 制 备 带 来 了 希 望 ,， ,， ,， ，，进 入 薄 膜 并 很 容 易 从 得 到 电 子 使 转 变 为 ,， ,,,;,;掺 杂 的 磁 光 薄 膜 是 近 年 来 最 受 关 注 的 磁 :;,，, ,:,， ，进 而 在 可 见 光 和 近 红 外 光 波 段 发 生 电 子 跃 迁 而 对 光 有 ,， ,， ,;。，光 薄 膜 材 料 由 于 扩 散 系 数 小 掺 杂 薄 膜 :;:;,，, ,， 。，强 烈 的 吸 收 与 此 不 同 掺 杂 薄 膜 的 光 吸 收 则 是 因 ,,,,:;,，, 。难 以 用 首 次 采 法 制 备 年 日 本 学 者 等，,， ,,,,,:,,,,,,,,,,。薄 膜 晶 化 过 程 不 完 全 而 产 生 的等在 钆 镓 石 ,， ,～,,,,，～ ，用 射 频 溅 射 法 制 备 了 掺 杂 单 晶 薄 膜 发 现 这 种 :;,，, ,,,,榴 石的 面 上 通 过 溅 射 外 延 法 制 备 ,,,,,,:;,,;:,,,, 薄 膜 在 可 见 光 与 近 红 外 光 波 段 均 具 有 很 高 的 比 法 拉 第 旋 ，薄 膜 发 现 薄 膜 的 传 播 损 耗 在 波 长 为 时 达 到 了 ,,,,, ,μ。 转 角 在 室 ::,,, ，，温 下 当 波 长 为 时 在 结 构 中 掺 入 ,,,,, ,，, ,,:,:;,,相 当 于 光 吸 收 系 数 为 ,。 这 可 以 μ,,,,:,,,,,,,,,:,:,,,,， , 。， ,,,，通 过 改 变 薄 膜 制 备 时 溅 射 条 件 来 解 决在 原 先 纯 的 溅可 使 比 法 拉 第 旋 转 角 增 加 是 相 同 ,, ,,,,::,×?,， ,， 。 情 况 下 的 系 列 磁 光 材 料 的 比 法 倍 由 于 掺 ,,, :;,，, ,， ,,,,，射 气 氛 中 加 入 少 量 体 积 分 数 或 体 积 分液 相 外 延 法 制 备 掺 杂 单 晶 薄 膜 时 由 于 含 助 ::,,,,:,,,,,, ,, ,，, , 熔 ，,,，，剂 的 使 用 必 然 会 对 环 境 安 全 和 器 件 性 能 造 成 一 定 的 影 数弥 补 薄 膜 沉 积 过 程 生 成 的 氧 空 位 并 在 下 ，,::?, 。响 近 年 来 人 们 在 考 虑 制 备 一 种 将 钇 铁 石 榴 石 纳 米 晶 分 散 到 气 有 ，,,氛 中 退 火 薄 膜 的 传 播 损 耗 可 下 降 至 相 当:,,,～,,,,:,: ,,,,机 介 质 中如 有 机 玻 璃 或 环 氧 树 脂 而 得 到 的 低 成 ,,,,,,于 光 吸 收 系 数 为 ,,,,,:,, ,，,,:,,，本 复 相 磁 光 薄 膜且 采 用 比 法 拉 第 旋 转 角 与 光 吸 收 系 数 ,,,,,， 等研 究 了 的 掺 杂 对 掺 杂 薄 膜,:，:,,,:,,,,，, ! ，,的 比 值 来 评 价 复 合 磁 光 薄 膜 的 品 质 即 磁 光 优 值 ,,～,;:,,，,,的 光 吸 收 系 数 的 影 响 薄 膜 的 组 分 为 ,,,,,,:,,;:,,,,,,, ,。，显 然 提 高 复 合 磁 光 薄 膜 的 磁 光 优 值 一 是 要 提 高 ,;,,,,,,, ,， ，。料 的 比 法 拉 第 旋 转 角 二 是 要 降 低 材 料 的 光 损 耗 ,～ ,,，，发 现 当 的 掺 杂 量 时 利 用:,:,:,,:,,:,:, ??? 材 等 报 道 通 过 共 沉 淀 法 制 备 ,，，,纳 米 颗,,,,;:,,:,,,,，?溶 液 对 薄 膜 进 行 还 原 处 理 后 薄 膜 的 光 吸 收 ,,,,,,,，，，: ,,,,， ，，。 粒 并 将 其 分 散 至 中 得 到 复 相 磁 光 薄 膜 当 ,,,, ,,系 ,， ,， 的 ，数 约 为 未 掺 杂 的 薄 膜 的 这 是 由 于 的 掺 入 :,,:,:, ，掺 量 为 时 纳 米 晶 的 比 法 拉 第 旋 转 角 ,,, ,,,,;:,,,,,,,,, 以 ,,,,最 ，。及 还 原 处 理 减 少 了 薄 膜 中 非 三 价 杂 质 的 量 等采，,,,,! ，。大 复 合 磁 光 薄 片 的 磁 光 优 值 最 高 达 到 了 ,,,,? ，用 液 相 外 延 法 制 备 了 薄 膜 在 波 长 为 ,,,,;:,,,:,,,,,,,, μ光 通 过 复 合 磁 光 薄 膜 产 生 的 光 损 耗 主 要 是 由 于 纳 米 离 子 掺 杂 改 善 材 料 温 度 稳 定 性, ,,, ,,,晶 ,,,， ,,,,,,, π 磁 光 材 料 的 温 度 稳 定 性 通 常 由 其 比 法 拉 第 旋 转 角 的 ，薄 膜 的 光 吸 收 系 数 为 表 明 的 掺 杂 不 会 影 响 薄:,,:,,,,, ,,, ,, ,, 对 光 的 散 射 所 造 成 的 。由 散 射 定 律 可 知 ，含 大 量 颗, ，, λ,,,;,～!, ,， 温。膜 的 光 吸 收 掺 杂 薄 膜 磁 化 饱 和 所 需 的 外 加 磁 ,,,，, ,，，式 中 为 散 射 颗 粒 体 积 含 量 为 光 的 波 长 为 相 对 折 射,粒 的 非, 均 匀 介 质 对 光 的 散 射 系 数 为 , λ, ,度 系 数 来 表 征 , 场 ,, θ, ,,,,,, , 。，， 率 显 然 在 相 同 纳 米 晶 体 积 含 量 条 件 下 复 合 介 质 光 散 射,,θ, ，。较 小 有 利 于 器 件 的 小 型 化 。，系 数 与 纳 米 晶 平 均 晶 粒 尺 寸的 三 次 方 成 正 比 因 此 制 , , ，温 度 系 数 越 小 则 比 法 拉 第 旋 转 角 的 温 度 稳 定 性 越 , 备 尺 寸 细 小 的 离 子 掺 杂 纳 米 晶 是 制 备 高 优 值 磁 光 复 ,，, 。高 各 种 稀 土 掺 杂 铁 石 榴 石 材 料 在 波 长 为 的 比 法 ,,,,, μ,,,, ,,,,。 薄 膜 的 主 要 途 径 董 博 等 报 道 用 共 沉 淀 法 制 备 合,,, ,,,。，拉 第 旋 转 角 温 度 系 数 如 表 所 示 可 以 看 出 稀 土 掺 杂 ,, ，纳 米 晶 发 现 晶 粒 尺 寸 随 着 热 处 理 时 间 的,;:,,,;:铁 ,,,,,,,,, 石 榴 石 材 料 可 分 为 具 有 正 温 度 系 数 和 负 温 度 系 数 的 两 大 ，。 缩 短 以 及 温 度 的 降 低 而 减 小 最 小 可 达 到 左 右 当 ,,,, 。 ，类 因 此 以 适 当 比 例 复 合 掺 杂 具 有 相 反 温 度 系 数 的 稀 土 ,， 热，处 理 条 件 为 掺 杂 保 温 时 最 后 所 制 成 的 ， ， 元 素 有 望 通 过 互 相 补 偿 效 应 提 高 材 料 的 温 度 稳 定 性 甚 至 ,,:? ,～ ,,,，,,,,,,。 比 法 拉 第 旋 转 角 的 温 度 系 数 降 为 零 黄 敏 等在 使 材 料 , ,,,, 。环 氧 树 脂 复 合 磁 光 薄 膜 拥 有 最 大 的 磁 光 优 值 ,,,，～,:,? ,等 研 究 了 不 同 的 热 处 理 温 度 对 其 制 备 的 衬 ,,,,;:,，, 底 上 通 过 改 进 的 液 相 外 延 法 制 备 了 组 成 为 ,,,,,,,,, ,,:,,, ,, ,,,,,,，，环 氧 树 脂 复 合 薄 膜 的 光 吸 收 系 数 的 影 响 研 究 发 现 当 热 ,，,， 。 和 对 磁 光 薄 膜 的 比 法 拉 的 磁 光 薄 膜 由 于 :,,,;,,,, 处 ，第 旋 转 的 温 度 特 性 贡 献 相 反 在 波 长 为 时 ,,,,, ,,,,，,μ，理 温 度 由 升 高 至 时 纳 米 颗 粒 的 平 均 晶 粒 尺 ,,,? ,,:? , ，，寸 由 原 先 的 增 大 左 右 并 且 团 聚 现 象 增 强 从 ,,,, ,,,, ,,,,复 合 薄 膜 的 温 度 系 数 为 ，而 同 样 条 件 ,，, ,,,,×,:，而 导 。 ，，致 薄 膜 的 光 吸 收 系 数 显 著 增 大 同 时 他 们 还 发 现 饱 下 ,和 磁 化 强 度 与 光 吸 收 系 数的 比 值 与 薄 膜 的 磁 光 优 , , αα,,,,,,。未 掺 杂 的 的 温 度 系 数 则 为徐 志 成 等,，, ,,,×,:，，,值 随 热 处 理 温 度 的 变 化 趋 势 保 持 一 致 可 以 用 来 定 性 ,, α,,。 地 表 征 复 合 磁 光 薄 膜 的 法 拉 第 旋 转 特 性 所 制 备 的 ,,, 。环 氧 树 脂 复 合 薄 膜 磁 光 优 值 最 高 达 到 了但 :,,,,?,;,,, ,,,,,,,，通 过 高 温 熔 盐 法 生 长 单 晶 其 比 法 拉,,,,,,,;::,,,,,,,:,,,,,, ,, ,:表 波 长 为 时 各 种 稀 土 铁 石 榴 石 的 温 度 系 数, ,,,,, ,,, ,,μ，是 。纳 米 晶 的 晶 粒 尺 寸 并 非 越 小 越 好 等在 制 备,,;,,,,, , 第 旋 转 角 的 温 度 系 数在 波 长 为的 情 况 下 为,,,,,,,,,,μ,,,,;,,;,;,,,～,;::;,,,:,;,,,:,,;,;,,,,,,;;,,,～,, ，纳 米 晶 时 发 现 纳 米 晶 的 饱 和 磁 化 强 度 随 着 晶 粒 尺 寸 ,，, × ,,,, ,,:,,,,;,,,,,,,,;,;,,～:,,,,,, ,,μ 的,,,, ，。可 以 满 足 实 际 应 用 的 要 求 ,:， ,,材 料 温 度 系 数, ，。， 减 小 而 降 低 当 纳 米 晶 尺 寸 小 于 时 纳 米 晶 将 。亚 铁 磁 性 转 变 为 超 顺 磁 性 这 是 由,, 于,, 随 着 晶, ，粒, 尺 寸 的 减 ,,，小 ,,,;:，,,,×,:,,,,由 ，，比 表 面 积 增 大 处 于 晶 粒 表 面 的 磁 矩 占 了 很 大 的 部 分 它 ,, 们 ,,,;:，,,,×,:,,,, ,,。 易 受 热 扰 动 的 影 响 而 不 断 变 换 取 向 ,,,;:,,,,,:×,,,, ,,降 低 复 合 薄 膜 光 吸 收 系 数 的 另 一 个 关 键 则 是 分 散 介 质 ,,;:!,,,,,,,,×,: 。，的 选 取 纳 米 晶 的 折 射 率 约 为 若 所 选 择 的 分 散 ,,,，, ,,,,,;:,,,,×,:,,,, ，，介 质 的 折 射 率 与 其 相 近 则 二 者 相 对 折 射 率 可 接 近 于 从 ,,,，:,;: ,,,,,:,,,,× 而 可 ，以 极 大 地 减 少 两 相 界 面 上 的 光 散 射 使 复 相 薄 膜 的 光 。吸 收 系 数 大 幅 度 降 低 ,钇 铁 石 榴 石 纳 米 晶有 机 分 散 介 质 复 合 薄 膜 , 、等 分 别 通 过 传 统 共 沉 淀 方 法 微 波 辅 助 的,,,,，:,, ,,,,,,,,,制 备 钇 铁 石 榴 石 单 晶 薄 膜 需 要 昂 贵 的 钆 镓 石 榴,,, ，共 沉 淀 方 法以 及 熔 盐 法制 备 纳 米 晶 所 ,, , ,;,,, ,,, , ,, ,、，、。 ，石等 单 晶 衬 底 并 且 工 艺 复 杂 成 本 高 同 时 采 用，,,, ，制 备 纳 米 晶 的 平 均 粒 径 均 为 左 右 而 采 用 传 统 共 沉 :,:,, 淀 ,， ，。 方 法 制 备 的 纳 米 晶 的 平 均 晶 粒 尺 寸 为 然 后 将 材 料 的 比 法 拉 第 旋 转 角 以 适 当 的 比 例 复 合 掺 杂 对 ,,,,,,,，, 掺法 ，杂 纳 米 晶 以 ,质 量 分 数 ,的 比 例 与 有 机 玻 璃 混 拉 第 旋 转 的 温 度 特 性 起 相 反 作 用 的 稀 土 离 子 可 改 善 材 料 ,，, :,,, 温 度 稳 定 性 以 满 足 器 件 实 际 应 用 中 对 性 能 稳 定 性 的 要 。的 求 合，,， 同 时 在 制 备 纳 米 晶有 机 分 散 介 质 复 合 薄 膜 时 磁 光 ,，, 均 匀 后 成 型 ，最 后 所 得 到 的 复 合 磁 光 薄 片 的 厚 度 为 优,,,, 。 。值 的 提 高 仍 是 研 究 工 作 的 重 点 这 一 方 面 可 以 通 过 提 高 , ,， 离 由 于 采 用 微 波 辅 助 共 沉 淀 与 熔 盐 法 所 制 备 的 掺 杂 ,,,，，子 掺 杂 纳 米 晶 的 磁 光 性 能 来 实 现 通 过 制 备 工 艺 的 ,，, , ,， ，的 有 效 掺 杂 及 其 掺 杂 量 是 可 行 的 途 径 之 改 进 提 高 :;纳 米 晶 比 法 拉 第 旋 转 角 较 高 ，且 通 过 减 小 纳 米 晶 的 晶 粒 ,，,,,,:不 同 方法制备的复合磁 光 薄 片 性 能 比 较 表 ,,一 另 ，一 方 面 则 需 要 降 低 材 料 的 光 吸 收 系 数 这 就 需 要 控 制 尺 ,,,,;, ,,:;,,,;,:,,,,;,::,,:,,～,,,,,,;,,,,,,, ,,,!、，和 优 化 所 制 备 的 纳 米 晶 的 尺 寸 形 貌 改 善 纳 米 晶 的 分 散 ，，寸 降 低 薄 片 的 光 吸 收 系 数 使 得 复 合 磁 光 薄 片 的 磁 光 优 值 ,，,,,,, ,;,,;,,,,,,;,;,,,;,～:,,,,!，。，性 以 及 选 取 折 射 率 较 为 匹 配 的 分 散 介 质 可 以 预 见 制 备 。，有 了 较 大 的 提 升 波 长 为 时 不 同 方 法 制 备 的 复 :,,,,, μ成 本 低 且 具 有 高 磁 光 性 能 以 及 高 温 度 稳 定 性 的 复 合 磁 光 法 拉 第 旋 转 角 吸 收 系 数 磁 光 优 值 。合 磁 光 薄 片 性 能 如 表 所 示 , 制 备 方 法 ,,,。薄 膜 必 将 在 磁 光 器 件 中 发 挥 重 大 的 作 用 ,,?,参 考 文 献 :, ?:,? ,微 波 辅 助 共 沉 淀 法 ,,,,,,,,,,,,,, ，，章 春 香 殷 海 荣 刘 立 营 磁 光 材 料 的 典 型 效 应 及 其 应 ,, 熔 盐 法 传 统 共 ,,,,,,,,:,,,, 用 沉 淀 法 ,:,,,,,,,,,,, ,,，，,,,磁 性 材 料 及 器 件 ，,,::,,,,, , ,,,,:,，,,:,,,:,,,,:,;,,,;,:,,;,;,,,,;,,,,,,,;,,:,,,, 磁 光 法 拉 第 转 子 材 料 的 实 际 应 用 , ,,，，,,,,;,,，,，,,,～,,,,,,,,,,,,,! , ，，，目 前 实 际 应 用 中 的 法 拉 第 转 子 材 料 主 要 为 磁 光 玻 璃 以 ,:,,,,～～,,,，,,;,,,,,:,,,,;,::,,:,,;,!!,,,,, ～,,:;,;,,,, ～,～,:;,～,,,,,～,;,,,:, ,,,;,,,,,, ,;。 ,! ,,,,及 石 榴 石 单 晶 片 或 单 晶 薄 膜 磁 光 玻 璃 的 磁 光 性 能 比 石 榴 ,,，，,,,，，,,;,,,～,,;,,,，,，,,,～,,,,,,:,,,:,,,!,, ,,!，， 石 晶 体 材 料 低 几 个 数 量 级 需 要 外 加 强 磁 场 因 此 器 件 的 尺 , ，,,,～,, ，,，,,,,,,:,,,,;,,,,,～,,;,,,,;,,,,,,,:, ,;:,,,,:,:,,,,,～,,,:,,,,;,,,,:;,,～,,,～,,,,,～,;,,，,。 ，,!,寸 通 常 较 大 但 是 由 于 其 在 可 见 光 及 近 红 外 波 段 透 光 性 ,,，，,,,,,,，,， ,,, ,,, ,,,;,,:::,,:,,,,, ，，好 且 易 制 成 大 尺 寸 或 形 状 复 杂 的 制 品 因 此 在 磁 光 器 件 中 ，,， ,， ,， ,， , ,;，～,,, :;,,,,,,,:,;,～,,:;,;,,:,,～;,,,,,,,:,,,!, 。 ，、、、得 到 较 为 广 泛 的 应 用 其 中 掺 杂 ,,,,,:;!,,:,,,:;,,,,,::,:,,,,;,;,,,,,,,,,:,,,,;,,～,,,,,,,,, 和 ,,，，,，,,,,～,，;,,,::,,,,,,,,,,,!,， 等 稀 土 离 子 的 顺 磁 磁 光 玻 璃 是 磁 光 隔 离 器 中 的 主 要 ，,, ,:，:,，,:,,:～,,,,:,:,,:,,;:,,::,,～,,;,～,,,,,,,,;,,,, 磁 ,,,:,:,,:,,,;～,,;, ,,,～ :; ,，,,,;, ，,:, ,,,?,,!,光 材 料 。如 西 安 奥 法 光 电 有 限 公 司 制 备 的 法 拉 第 磁 光 隔 ，，,;, ,::,,,,,, 离 ，，，,， , ,～:,,,,,～,:,:,,:，:,，;,,,,,,,;,:,:,,:,,,,:,,,, ，，器 以 掺 的 顺 磁 磁 光 玻 璃 为 法 拉 第 转 子 工 作 的 波 长 ,,,,,:, ,,,～,,,,::, ,,,;～,,;,,,,,,:,,;, ,,,,;:,,:,,,,,! , 围 为 ，隔 离 度 大 于 ，透 光 率 高 于 。 范 ,::,:,,,,,:,,,:,:,,，，,，,,,,～,,;,,,::,,,:,,,,,,,! 对 ，于 小 尺 寸 磁 光 隔 离 器 则 通 常 采 用 具 有 高 比 法 拉 第 旋 转 ，，, ,～:,,，,,;～，,;,,,,,:,,,,,,,,:,,,,;;,,;,,,,,;,,,,, 。 角 的 石 榴 石 晶 体 材 料 为 法 拉 第 转 子 工 作 波 长 范 围 在 ,,::,,:,,,,,;～,,;,,:,,,:,～,,,,,,:,;,:,,;:,,::,,,,,, ,, :::,,，，,,,～,,;,～,,,，,，，,～,,,,;,;:～,,::,,,,:,,:,,,,,的 磁 光 隔 离 器 常 以 单 晶 片 为 法 拉 ,,::,, ,,,,,,,:,,,, 。，，，，第 转 子 这 是 由 于 在 该 波 段 内 具 有 较 高 的 比 法 拉 , ，;:,, ，，;;，,:～，，;,,,,,,,;,::,,:,,,:;,,,, ,,,,,, 第 ,,,，旋 转 角 和 优 良 的 透 光 性 并 且 具 有 较 高 的 激 光 损 伤 阈 ,,;,:, ,,,,，, ,,,:,,,,:,;,;:,～,,,, ,,,;,,,,, ，,,,! ! 。 值 而 ,,，，,,,,～,,,,,,:,,,::,,:,,,,,,! ，，，波 长 为 以 上 的 磁 光 隔 离 器 则 多 采 用 法 生 长 ,: ，,,,,:～,,,:,,,,,,,,,,,～,,,，;,,,,,,;,,,,,:,,,::,, ，,， ,,, 或 厚 膜 ,,，如 美 国 的 公 司 所 的 ,，, ,,,,，, ,::,:,, ,,,,,,;,::,,:,,,:;,,,;,:,,,,,;::,,,,:,,,::,,,,,,,,, ,, μ ,,，，,生 产 ::,:,,,;,,,,,，,， ,,, ,,, ,,,;,,::,,,,,,,,,，的 小 尺 寸 磁 光 隔 离 器 采 用 薄 膜 作 为 法 拉 第 转 子 材 ，，,, ,～,，,～ ， ,;,,,,，,,,～;,:;:,,～,,,:,,,,,:,::,;。,,,厚 度 仅 为 同 时 由 于 其 饱 和 磁 场 仅 为 几 百 ， 料 薄 膜 ,,:,μ,,:,,,,,,:, ,,,～;,,, :, ,,,，, ,,,,:,;, ，, ， ,,,:,!,,!，高 斯 所 制 , ，得 的 器 件 尺 寸 仅 为 它 们 对 于 波 长 ,,:,, ×,,:,,，，,::,,,::,,,:,,,, 为 ，,, ,:,,:～ ，;,,,,,,,:,,,:,,:,,,,;,::,,:,,,,,;～,,;,,,,,,, 或的 光 信 号 ，透 过 率 均 高 于 ，隔 离 ,,,,, ,,,,, ,,,μμ,,，，,,,,,,;,,,;,:,,:,，,，:,,::,, ,,::,,,,,:,,, 展 望 度 达, ,,，，，,,,,，,,,,,;:,,,,,,,:,,,,;,::,,:,,,,,:,,,:,, ，,,, ,～,::， ,,,:,,;!,，,,,,,,,;,,,,,,,:,,,,～:, ,，, ,,, 。到 以 上 日 本 的 公 司 生 产 的 用 于 ,:,, ,,,，:,, ,,,未 掺 杂 的 材 料 难 以 满 足 光 集 成 技 术 发 展 对 材 料 磁,，, ，，,,,,;,:～;, ,～,,,,,,,,,,! ,， ,， :, 。 、，光 性 能 的 要 求 通 过 等 离 子 掺 杂 可 显 著 提 ,,:;，，,, ，～,,,,～,,,,,～， ,,,,,,,,,:,,,,:,;,,;:,,:,, ,! ，法 拉 第 转 子 采 用 厚 度 为 波 段 的 ,,,,, ,,,,:, ?μμ高 ，，,,,, ,:,, ,,～,～,,, ，,,; ,,，,～,,:;,;,,:,,,,,,,，:,,,,,;:,,,,;:,,,,,,,,,,,,,,:,,,:,,:,,,;!!,,,, ,!,,, ,,,,,,,,,,;,;,,,～,;,,,,,,,,;,:,,:,,,,:,,,:,, ，,,～,,～,,,,,～,;, ,，, ;,,,,,,,,,,,,,,,;,,;:,,, ～,～,:;,,,!,,! ,! ,,，，,,,,,，，,,～,,;,,,，,，,，,,,～,,,,:,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,, ,,,! ，，，，周 洋 邹 玉 林 臧 竞 存 光 通 信 用 磁 光 材 料 的 研 究 进 展 ,, ,,, ,～,,,,，～,,,:,，:,,,,～,,,,,,;,::,,::～,,,;,!,,, ,,,,，,,,,;～,,;,,, :;,～,,,,,～,;, ,,,,～, ,,,;, ，,， ,,,,!,,, ，，,,,，,,,新 技 术 新 工 艺 ,～,,,,,,,,,,,,,::,,,::! ，，，，,, ,:,;,,,:,， ,,,,,;，:;，,,:,,,～，,;,,,,,,;,,, ,～,,,,，～,,,: ,,,,;,,,,,:,:,:;,～,,,,,～,;,,,,,～,,,,,,! 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