Substrati di cristallo GGG vs. SGGG: Qual è la scelta migliore per le vostre esigenze tecnologiche?

1 Introduzione

Ilgranatodi gadolinio-gallio (GGG) e il granato di samario-gallio-gallio (SGGG) sono cristalli con struttura a granato che presentano proprietà ottiche uniche, come l'ottica non lineare e le proprietà magneto-ottiche, oltre a proprietà magnetiche e termiche. Questo li rende ampiamente utilizzati nell'optoelettronica, nei sensori e nel magnetismo. In generale, grazie all'introduzione di Sm3+, l'SGGG possiede proprietà ottiche, magnetiche, termiche ed elettriche più intense rispetto al GGG, ma in termini di stabilità e maturità di sviluppo, il GGG è ancora il mainstream al momento.

2 La struttura cristallina di GGG e SGGG

I cristalli di gadolinio gallio granato (GGG) appartengono al sistema cristallino cubico, un tipo di sistema cristallino isometrico. La costante reticolare è di 12,383 Å e la cella cristallografica è composta da 8 unità molecolari chimiche. Essendo un derivato del sistema cristallino del granato, la sua struttura cristallina è simile a quella del granato, con Gd2+ e Ga3+ che occupano rispettivamente le posizioni ioniche a valenza positiva, in combinazione con un quadro orto-ottaedrico o tetraedrico fornito da [GaO4]4-. Come il granato, il GGG ha comunemente un abito di cristallizzazione orto-dodecaedrico, ma è presente anche un icositetraedro deltoidale.

Il granato di samario gadolinio e gallio (SGGG) è un cristallo ottenuto sostituendo una parte di Ga3+ con Sm3+ drogato nel GGG, simile per aspetto e struttura cristallina al GGG. Il raggio ionico di Sm3+ è più grande rispetto a quello di Ga3+, il che fa sì che la sostituzione di Ga3+ con Sm3+ nella stessa posizione porti a una leggera distorsione della struttura cristallina, e questo provoca un piccolo cambiamento nella struttura cristallina di SGGG, che porta a una parziale differenza nelle proprietà.

3 Proprietà ottiche di GGG e SGGG e relative applicazioni

3.1 Proprietà ottiche non lineari

Il GGG e l'SGGG appartengono al sistema cristallino cubico e le loro strutture cristalline non hanno simmetria centrale; nella struttura non centrometrica, la simmetria di inversione centrale viene rotta allo stesso tempo, il che fa sì che il GGG abbia effetti non lineari del secondo ordine, come la generazione armonica di secondo grado (SHG) e l'oscillazione parametrica ottica (OPO), ecc. Le GGG e le SGGG hanno quindi proprietà ottiche non lineari e trovano importanti applicazioni nei laser, nelle comunicazioni e nel rilevamento.

3.1.1 Applicazioni legate alle proprietà ottiche non lineari del GGG

Tecnologia laser: Il GGG può essere utilizzato per realizzare la generazione di seconde armoniche (SHG) e l'oscillatore ottico parametrico (OPO), che possono essere utilizzati per generare il raddoppio della frequenza di uscita del laser, la miscelazione di frequenza e altri processi nell'elaborazione laser, nell'analisi spettrale, nell'imaging biomedico, ecc.

Sistemi LIDAR: Il GGG può essere utilizzato anche per fabbricare ottiche non lineari nei sistemi LIDAR per la modulazione, la fusione e il rilevamento dei fasci laser. I sistemi LIDAR sono ampiamente utilizzati nel telerilevamento, nell'esplorazione geologica, nel settore aerospaziale e in altri campi.

Comunicazione e rilevamento ottico: Il GGG può essere utilizzato per produrre dispositivi come modulatori ottici e interruttori ottici, utilizzati per modulare e controllare la trasmissione e l'elaborazione di segnali ottici per realizzare una trasmissione di segnali ottici ad alta efficienza e a bassa perdita. Può essere utilizzato anche per produrre sensori ottici, utilizzati per rilevare parametri quali l'intensità, la frequenza e la fase dei segnali ottici. I sensori basati sul GGG sono ampiamente utilizzati nei settori del monitoraggio ambientale, della diagnostica medica e del controllo industriale.

3.1.2 Miglioramento delle proprietà ottiche non lineari delle SGGG

I cristalli SGGG sono drogati con Sm3+ per sostituire una porzione di Ga3+ nei cristalli GGG; ciò comporta un leggero cambiamento nella struttura cristallina, che porta a determinate modifiche delle proprietà ottiche. L'introduzione di Sm3+ aggiunge un meccanismo di polarizzazione non lineare, che si traduce in una maggiore risposta ottica non lineare degli SGGG, che presentano coefficienti ottici non lineari più elevati in alcune applicazioni ottiche non lineari, nonché una maggiore efficienza di conversione.

Ciò non significa che gli SGGG possano superare e sostituire completamente i GGG nelle applicazioni di ottica non lineare. A causa dell'introduzione di Sm3+, pur apportando coefficienti ottici non lineari più elevati, il cambiamento della struttura cristallina fa diminuire leggermente la stabilità delle prestazioni ottiche dell'SGGG. Questo cambiamento rende l'SGGG più sensibile alle condizioni ambientali negli scenari applicativi, quindi quando la richiesta di stabilità e consistenza è elevata, l'SGGG è ancora superiore all'SGGG. Il GGG è ancora una scelta migliore dell'SGGG quando la richiesta di stabilità e consistenza è elevata.

3.2 Proprietà magneto-ottiche

GGG e SGGG hanno proprietà magneto-ottiche. L'effetto magneto-ottico è un fenomeno in cui le proprietà ottiche di un materiale vengono alterate da un campo magnetico applicato. Questo cambiamento può manifestarsi come una variazione dello stato di polarizzazione, dell'indice di rifrazione o dell'assorbimento della luce, ecc. L'effetto magneto-ottico del GGG è dovuto principalmente all'interazione tra la sua struttura cristallina e gli ioni interni, nonché all'influenza del campo magnetico applicato. Sotto l'azione di un campo magnetico, lo spin e il movimento orbitale degli ioni (di solito ioni di metalli di transizione) nei cristalli magneto-ottici si modificano, portando a cambiamenti nelle proprietà ottiche. Sotto l'azione di un campo magnetico, gli spin degli ioni nei cristalli magneto-ottici interagiscono con i fotoni, determinando una rotazione della direzione di polarizzazione della luce. Questo fenomeno è noto anche come effetto Faraday.

3.2.1 Applicazioni correlate all'effetto magneto-ottico

Immagazzinamento magneto-ottico: L'effetto magneto-ottico del GGG è ampiamente utilizzato nei dispositivi di memorizzazione magneto-ottica. Utilizzando l'effetto magneto-ottico, è possibile scrivere, leggere e cancellare informazioni nel supporto. I dispositivi di memorizzazione magneto-ottici presentano i vantaggi dell'alta densità di memorizzazione, dell'alta velocità e della stabilità a lungo termine e hanno quindi importanti prospettive di applicazione nel campo della memorizzazione dei dati.

Dispositivi ottici per la comunicazione e il rilevamento: I GGG e SGGG possono essere utilizzati anche per produrre dispositivi ottici come modulatori ottici e interruttori ottici. Questi dispositivi possono realizzare la modulazione e il controllo di segnali ottici, utilizzati nei settori della comunicazione ottica, dell'elaborazione dei segnali ottici e del rilevamento ottico. Utilizzando l'effetto magneto-ottico, è possibile ottenere la modulazione e il controllo dei segnali ottici nelle fibre ottiche per applicazioni quali il rilevamento del campo magnetico e l'imaging del campo magnetico. I sensori a fibre ottiche magneto-ottici presentano i vantaggi di un'elevata sensibilità, di una rapida velocità di risposta e di una forte capacità anti-interferenza, per cui hanno un'ampia gamma di applicazioni nel campo della misurazione e dell'imaging del campo magnetico.

Isolatori ottici: L'effetto magneto-ottico può essere utilizzato anche per fabbricare isolatori ottici, che servono a prevenire la propagazione inversa e il cross-talk dei segnali ottici. Gli isolatori ottici svolgono un ruolo importante nelle comunicazioni ottiche e nei dispositivi ottici per migliorare la stabilità e le prestazioni del sistema.

3.2.2 Effetti potenziati in SGGG

Rispetto al GGG, l'SGGG avrà un effetto magneto-ottico più evidente grazie al drogaggio di Sm3+ e dei suoi elettroni spaiati come ioni metallici di transizione. E allo stesso tempo la stabilità e l'applicazione corrispondenti, i due hanno ancora i loro punti di forza e si completano a vicenda.

3.3 Risposta ai terahertz

La risposta ai terahertz si riferisce alla risposta di un materiale alla banda dei terahertz (solitamente definita come un'onda elettromagnetica situata tra gli infrarossi e le microonde, con una gamma di frequenza compresa tra circa 0,1 THz e 10 THz). La banda terahertz ha molte proprietà speciali, tra cui un'elevata penetrazione, la non ionizzazione e proprietà di assorbimento uniche per i tessuti biologici e molti materiali, ecc. La risposta magneto-ottica di GGG e SGGG nell'intervallo di frequenza compreso tra 30 G Hz e 1 T Hz, nonché il tenore di risposta del materiale, sono stati studiati da Mohsen Sabbaghi et al. In questo intervallo spettrale, i materiali mostrano caratteristiche non dispersive e un'attenuazione minima del segnale ottico. In condizioni di bassa temperatura, nei campioni (S)GGG si osservano pronunciate rotazioni di Faraday in terahertz. Questo notevole comportamento giroelettrico è probabilmente legato all'elevato stato paramagnetico di spin esibito dagli ioni Gd3+ all'interno della struttura del materiale.

3.4 Fotoluminescenza

L'analisi comparativa degli spettri EPR, di assorbimento ottico (OA) e di luminescenza dei cristalli singoli di GGG è stata studiata da N. Mironova-Ulmane et al. Nei cristalli irradiati con il massimo flusso di neutroni, gli spettri EPR hanno mostrato diversi difetti paramagnetici. Nel GGG non irradiato, la fotoluminescenza è caratterizzata da impurità non regolate. Tuttavia, dopo l'irradiazione neutronica del GGG, emerge un ampio spettro di luminescenza asimmetrica, con un picco notevole che va da 725 a 733 nm. Questo picco si intensifica proporzionalmente alla fluenza di irradiazione. Pertanto, questa banda spettrale è probabilmente attribuibile alla comparazione di difetti indotti dalle radiazioni all'interno del materiale.

La tecnologia della fotoluminescenza ha un'ampia gamma di applicazioni nell'analisi biologica e chimica (etichettatura fluorescente, spettroscopia di fluorescenza, ecc.) e nei sensori ottici, oltre che in un'ampia gamma di dispositivi luminescenti come dispositivi fluorescenti, illuminazione a LED, ecc. La ricerca sulle proprietà rilevanti del GGG ha portato alla possibilità di un certo sviluppo delle sue aree di applicazione in futuro.

4 Proprietà magnetiche di GGG e SGGG e relative applicazioni

Come accennato in precedenza, il GGG e l'SGGG hanno proprietà magneto-ottiche e la loro comparazione si basa sulla magnetizzazione delle sostanze in un campo magnetico e sul conseguente cambiamento delle proprietà ottiche. Pertanto, la proprietà di magnetizzazione di GGG e SGGG è anche una base importante per la loro ampia applicazione. Il GGG e l'SGGG presentano un ferromagnetismo dovuto al momento magnetico del Gd3+, che manifesta il fenomeno della magnetizzazione e l'effetto magneto-ottico sotto un campo magnetico applicato.

Poiché gli elettroni nello strato più esterno del Gd3+ sono principalmente elettroni 4f, questi elettroni hanno più elettroni di spin non accoppiati nei loro orbitali atomici, dando luogo ad atomi di gadolinio con un elevato momento angolare di spin. Questi elettroni di spin non accoppiati conferiscono agli atomi di gadolinio un grande momento magnetico spontaneo a temperatura ambiente, mostrando così un magnetismo pronunciato. La struttura cristallina di GGG e SGGG è un sistema cristallino cubico, che appartiene al cristallo esagonale. In questa struttura cristallina, la direzione dello spin del Gd3+ è ordinata all'interno del cristallo, con conseguente formazione di domini magnetici. Questa disposizione ordinata contribuisce alla formazione di proprietà magnetiche osservabili macroscopicamente.

In termini di applicazioni, la crescita di film di granato ferromagnetico su substrati GGG può essere utilizzata per fabbricare dispositivi magneto-ottici e memorie a dominio magnetico a bolle. La crescita di semiconduttori composti III-V su substrati GGG può essere utilizzata, tra l'altro, per sistemi di comunicazione ottica come isolatori magneto-ottici integrati e diodi laser; circuiti magneto-ottici integrati con emettitori, rivelatori, isolatori, circolatori, mutui traslatori non intersecanti, modulatori, ecc.

5 Proprietà termiche di GGG e SGGG e relative applicazioni

I cristalli sintetici a struttura granata, oltre alla loro utilità consolidata nell'elettronica quantistica, hanno applicazioni pervasive in diversi ambiti scientifici e tecnologici. L'imperativo di esaminare le caratteristiche termofisiche dei granati deriva dal ruolo indispensabile che essi svolgono nel facilitare calcoli ingegneristici precisi, fondamentali per la progettazione e l'ottimizzazione dei dispositivi associati. Senza una comprensione completa di queste proprietà, l'efficacia e l'affidabilità di tali dispositivi restano difficili da accertare. D A Samoshkin e S V Stankus et al. hanno analizzato nuovi e affidabili dati sperimentali sulla capacità termica di NGG e GGG nell'intervallo di temperatura allo stato solido di 300-975 K. I risultati sono stati confrontati con i dati esistenti in letteratura sulla capacità termica di NGG e GGG. I risultati sperimentali sono stati confrontati con i dati esistenti in letteratura. Per la prima volta, sono stati ottenuti dati per l'intervallo di temperatura 700-975 K. Nelle stesse condizioni, il coefficiente di capacità termica del GGG aumenta gradualmente con l'aumento della temperatura e la tendenza all'aumento rallenta gradualmente, mostrando un'immagine sempre più uniforme.

6 Preparazione di GGG e SGGG

Nella fabbricazione di cristalli GGG e SGGG con il metodo Czochralski, è fondamentale un controllo meticoloso della temperatura e della velocità di sollevamento.

Controllo della temperatura: La gestione precisa della temperatura all'interno della colata è fondamentale nel processo Czochralski. Si tratta di mantenere una distribuzione della temperatura che garantisca il punto di fusione all'interfaccia solido-liquido, creando al contempo un grado di sottoraffreddamento intorno ai cristalli seminali. Questo sottoraffreddamento impedisce la formazione di nuclei aggiuntivi, facilitando la disposizione ordinata di atomi o molecole in una struttura cristallina singola. L'apporto continuo di calore da parte del riscaldatore è essenziale per mantenere la fusione alla temperatura richiesta, spesso significativamente superiore alle condizioni ambientali.

Velocità di sollevamento: La velocità di sollevamento del cristallo influenza profondamente il tasso di crescita e la qualità del cristallo. Una velocità di rotazione ottimale favorisce un'efficace miscelazione all'interno della massa fusa, riducendo al minimo i gradienti di temperatura radiali e prevenendo un eccessivo raffreddamento dei componenti. In genere, per ottenere caratteristiche di crescita dei cristalli desiderabili, si utilizza una velocità di sollevamento compresa tra 6 e 15 mm all'ora.

I cristalli GSGG senza nucleo di alta qualità sono facili da coltivare e possono evitare impurità, tensioni e altri difetti causati dalla crescita di piccole superfici.

D. F. O'Kane et al. hanno ottenuto cristalli singoli GGG con meno di 5 difetti/cm 2 causati da inclusioni di iridio e dislocazioni, utilizzando un sistema televisivo di crescita cristallina Czochralski controllato da computer. L'atmosfera di azoto puro nell'estrattore ha ridotto con successo le inclusioni di iridio nei cristalli estratti. Durante la crescita dei cristalli, l'elevata velocità di rotazione dei cristalli e la lenta velocità di estrazione hanno impedito la formazione di corone; a questa elevata velocità di rotazione è stato possibile osservare delle striature nei cristalli. Le dislocazioni sono evitate grazie a un buon controllo del diametro del cristallo durante la crescita. È stata sviluppata una procedura di incisione per rivelare le dislocazioni. I parametri reticolari del GGG non sono cambiati durante le 26 ore necessarie per la crescita. L'eccesso di Ga203 nella colata ha portato solo a una leggera diminuzione del parametro reticolare, mentre l'eccesso di Gd203 ha aumentato significativamente il parametro reticolare.

7 Conclusioni

Il granato di gadolinio-gallio (GGG) e il granato di samario-gallio-gallio (SGGG) sono materiali cristallini noti per la loro struttura granata, caratterizzata da notevoli proprietà ottiche, magnetiche e termiche. Questi attributi unici, tra cui l'ottica non lineare e gli effetti magneto-ottici, li rendono indispensabili in vari campi come l'optoelettronica, la tecnologia di rilevamento e il magnetismo. Mentre sia il GGG che l'SGGG trovano ampie applicazioni, l'SGGG, aumentato dall'incorporazione del samario (Sm3+), presenta caratteristiche ottiche, magnetiche, termiche ed elettriche migliori. Tuttavia, nonostante le sue proprietà superiori, il GGG rimane la scelta prevalente grazie alla sua stabilità consolidata e alla maturità nello sviluppo nell'attuale panorama della scienza e dell'ingegneria dei materiali.

Lettura correlata:

Innovazioni nell'ottica: Il ruolo dei boules di granato GGG, SGGG e NGG

Riferimento

[1]Mironova-Ulmane N ,Popov A ,Antuzevics A , et al. Spettroscopia EPR e ottica di cristalli singoli di Gd 3 Ga 5 O 12 irradiati con neutroni[J]. Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, B,2020,480.

[2]Mohsen S ,W. G H ,Michael W , et al. Terahertz response of gadolinium gallium garnet (GGG) and gadolinium scandium gallium garnet (SGGG)[J]. Journal of Applied Physics, 2020, 127(2).

[3]Samoshkin A D ,A D S ,V S S . Capacità termica dei granati di neodimio e gadolinio-gallio[J]. Giornale di Fisica: Conference Series,2020,1677(1).

[4]O'Kane F D ,Sadagopan V ,Giess A E , et al. Crystal Growth and Characterization of Gadolinium Gallium Garnet[J]. Journal of The Electrochemical Society, 2019, 120(9).