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

1 Prefazione

La costruzione su larga scala delle reti 5G sta offrendo nuove opportunità al mercato delle comunicazioni in fibra ottica. La fibra ottica è l'unico materiale in grado di fornire le necessarie elevate velocità di trasmissione dei dati. Mentre la domanda di fibra ottica è in aumento a causa delle reti 5G, anche la domanda di isolatori in fibra ottica è in crescita. Gli isolatori in fibra ottica sono utilizzati in combinazione con gli amplificatori in fibra drogata per aumentare il guadagno massimo e ridurre l'indice di rumore. Nel rapido sviluppo della comunicazione in fibra ottica DWDM (dense wavelength division multiplexing), i sistemi ad alta velocità e ad alta capacità svolgono un ruolo significativo. Gli isolatori ottici sono particolarmente importanti in questo contesto.

Ilgranatodigadolinioegallio (GGG), il granato di scandio e gallio (SGGG) e il granato di neodimio e gallio (NGG ) sono ampiamente utilizzati in vari dispositivi magneto-ottici grazie alle loro eccellenti proprietà magneto-ottiche e sono diventati una stella nascente nel campo dei materiali ottici.

Figura 1 Fibra ottica

2 GGG

2.1 Introduzione

Ilgranatodi gadolinio e gallio (GGG, formula Gd3Ga5O12) è un materiale cristallino sintetico simile al granato, generalmente incolore. Ha un reticolo cristallino cubico, una densità di 7,08 g/cm3 e una durezza Mohs di 6,5 e 7,5. Come importante materia prima per i dispositivi ottici, il GGG ha alcune proprietà uniche. Ha un indice di rifrazione relativamente alto. Allo stesso tempo, presenta una buona trasparenza nell'intervallo spettrale visibile. Ciò consente il passaggio della luce e il mantenimento delle proprietà ottiche originali. È ideale per la preparazione di dispositivi ottici come lenti ad alto indice di rifrazione, componenti ottici e dispositivi laser. Presenta inoltre diversi effetti ottici non lineari, come l'effetto Kerr ottico e l'effetto di autofocalizzazione. Il GGG ha una conducibilità termica relativamente bassa e la sua eccellente dissipazione del calore lo rende ideale per l'uso in dispositivi ottici e substrati. Soprattutto, il GGG ha eccellenti proprietà magneto-ottiche, caratterizzate dall'effetto spin di Faraday. Questa proprietà ha portato a un'ampia gamma di applicazioni nei dispositivi magneto-ottici, come i dispositivi di archiviazione magneto-ottica e i deflettori magneto-ottici.

Figura 2 Cristalli GGG a scaglie

2.2 Caratteri

I transistor e i circuiti integrati sono fabbricati sulla superficie di un foglio di semiconduttore, che in questo caso è il substrato (chip). Il substrato di semiconduttore svolge un ruolo non solo nelle proprietà elettriche, ma anche nel supporto meccanico.

Come materiale di supporto, il GGG presenta caratteristiche molto adatte ai materiali di supporto:

1.Corrispondenza strutturale tra substrato e film epitassiale: I materiali epitassiali e i materiali di substrato hanno una struttura cristallina uguale o simile, un piccolo disallineamento della costante reticolare, buone proprietà cristalline e una bassa densità di difetti. La costante reticolare e il coefficiente di espansione termica dei cristalli singoli GGG corrispondono a quelli dell'YIG. Pertanto, il cristallo singolo GGG è considerato un materiale di substrato adatto per i film epitassiali magneto-ottici YIG e YIG-like. Questi materiali YIG e YIG-like hanno un'ampia gamma di applicazioni nel campo degli isolatori ottici, delle guide d'onda ottiche e dell'ottica integrata.

2. Corrispondenza del coefficiente di espansione termica tra substrato e film epitassiale: La corrispondenza del coefficiente di espansione termica è molto importante. La differenza tra il film epitassiale e il materiale del substrato nel coefficiente di espansione termica è troppo grande, non solo può far decadere la qualità del film epitassiale, ma anche nel processo di lavoro del dispositivo, a causa del calore causato dal danneggiamento del dispositivo.

3. Stabilità chimica del substrato e del film epitassiale: Il materiale del substrato deve avere una buona stabilità chimica e proteggere il film epitassiale mantenendone la stabilità e la non decomposizione durante la lavorazione.

4. Facilità di preparazione e costo dei materiali: Per essere messa in produzione di massa, la preparazione del materiale del substrato richiede un processo semplice e un costo il più basso possibile.

Figura 3 Diagramma XRD del GGG a 1000°C

2.3 Preparazione

La maggior parte delle memorie magnetiche a bolle d'aria sono preparate su substrati di granato di gadolinio e gallio (GGG). Questi substrati servono non solo come portatori ma anche come nuclei per la crescita epitassiale degli strati di memoria magnetica. Qualsiasi difetto nella struttura del substrato sarà riprodotto nello strato epitassiale, quindi il substrato deve essere molto uniforme. Pertanto, la tecnologia del processo di preparazione del GGG deve essere perfetta per garantirne la qualità. Il metodo più comune di preparazione dei GGG è quello della trazione e due degli aspetti più importanti del processo di preparazione della trazione sono il controllo della temperatura e della velocità.

1.Controllo della temperatura: Il controllo della temperatura della colata è la chiave del processo di crescita dei cristalli nel metodo di trazione. La distribuzione della temperatura nella colata è necessaria per mantenere la temperatura del punto di fusione all'interfaccia solido-liquido, per garantire che la colata intorno al cristallo seme abbia un certo grado di sottoraffreddamento e che il resto della colata rimanga surriscaldato. In questo modo, si garantisce che la fusione non produca altri nuclei, atomi o molecole all'interfaccia, secondo la struttura del cristallo seme disposto in un unico cristallo. Per mantenere un certo grado di sottoraffreddamento, l'interfaccia di crescita deve costantemente spostarsi verso temperature più basse, lontano dalla superficie isoterma del punto di solidificazione, affinché i cristalli crescano. Inoltre, la temperatura della massa fusa è di solito molto più alta della temperatura ambiente, per mantenere la massa fusa alla sua giusta temperatura, ma anche il riscaldatore deve avere un continuo apporto di calore.

2. Velocità di sollevamento: La velocità di sollevamento determina il tasso di crescita dei cristalli e la qualità. Con un'adeguata velocità di rotazione, la massa fusa può produrre una buona miscelazione e ridurre il gradiente di temperatura radiale, per evitare che i componenti si raffreddino eccessivamente. Il tasso di sollevamento generale è di 6-15 mm all'ora.

Inoltre, a causa della crescita del materiale GGG stesso, a volte nei cristalli si producono particelle bianche e nebbiose, che influiscono sull'uso ottico. Le relative ragioni tecniche e le opzioni di miglioramento sono in fase di studio.

Figura 4 A volte nei cristalli GGG compaiono delle macchie bianche e nebbiose.

2.4 Applicazioni (nella refrigerazione)

I materiali magnetici subiscono un cambiamento nella direzione del loro momento magnetico in presenza di un campo magnetico applicato. Questo processo è accompagnato da una variazione dell'entropia magnetica, ovvero la variazione di entropia causata dal riorientamento del momento magnetico nel campo magnetico esterno. Lo scambio di calore avviene quando i materiali magnetici subiscono una variazione di entropia magnetica in un campo magnetico. Progettando un sistema di refrigerazione magnetica, è possibile raffreddare un oggetto assorbendo calore. Nell'industria della refrigerazione magnetica, il GGG è stato applicato con successo nella regione di temperatura inferiore a 20K per il flusso di He II sul mercato e per la refrigerazione pre-stadio della liquefazione di elio e azoto.

Immagine 5 Cristalli colonnari di GGG

3SGGG&NGG

3.1 SGGG

I cristallidiscandio-gadolinio-gallio (SGGG, formula Gd3Sc2Ga3O12) sono cristalli ottenuti sostituendo Sc3+ a parte del Ga3+ nei cristalli GGG, che sono simili per struttura e aspetto e sono prodotti con lo stesso metodo. Il GSGG presenta alcuni vantaggi:

1. Analogamente al GGG, i cristalli GSGG senza nucleo di alta qualità sono facili da coltivare e possono evitare i difetti delle impurità e lo stress causato dalla crescita di piccole superfici.

2. Il granato contenente Sc ha una maggiore conducibilità termica e proprietà fisico-chimiche stabili, possiede una maggiore efficienza di dissipazione del calore ed evita efficacemente i problemi causati dal surriscaldamento della superficie.

Tabella 1 Confronto delle proprietà di GGG e SGGG

3.2 NGG

I cristalli dineodimio-gallio (NGG) sono cristalli ottenuti sostituendo Nd3+ a parte del Ga3+ nei cristalli GGG. I suoi vantaggi si riflettono principalmente in:

1. Il cristallo è relativamente facile da coltivare e la velocità di crescita del cristallo può raggiungere i 5 mm/h.

2. Il cristallo può essere coltivato in un'interfaccia piatta senza concentrazione di stress e con poche impurità, facilitando la preparazione di lamelle di grandi dimensioni per applicazioni con cristalli ad alta potenza.

3. L'Nd nei cristalli di granato di ittrio e alluminio (YAG) ha un coefficiente di ripartizione di 0,1-0,2, mentre nei cristalli GGG il coefficiente di ripartizione dell'Nd è più alto, fino a 0,52, il che favorisce la preparazione di cristalli laser drogati ad alta concentrazione, aumentando così la potenza di pompa ^[1].

4. Rispetto al mezzo di guadagno laser in vetro di neodimio, i cristalli di Nd: GGG hanno una maggiore resistenza meccanica e una maggiore conducibilità termica, che consente di raffreddare i cristalli in tempi più brevi.

5. La sostituzione omomorfa di Nd3+ con Gd3+ evita efficacemente la frammentazione della luminescenza nel livello energetico superiore del laser Nd3+ ^[2].

6. L'efficienza laser dei cristalli di Nd: GGG è doppia rispetto a quella del vetro di neodimio, un mezzo di guadagno per laser ad alta potenza comunemente usato, e può essere utilizzato come mezzo di lavoro per armi laser strategiche a corto raggio con una potenza fino a 100 kW ^[3,4].

Tabella 2 Confronto delle proprietà di GGG, SGGG e NGG

4 Conclusione

Il GGG, l'SGGG e l'NGG sono ampiamente utilizzati nella tecnologia laser, nei dispositivi ottici, nelle applicazioni magnetiche e in altri campi ad alta tecnologia grazie alle loro proprietà ottiche superiori. Il GGG, il materiale più ricercato e applicato, è stato utilizzato in una varietà di applicazioni nei campi delle cavità di risonanza laser, dei cristalli laser per dispositivi magneto-ottici, ecc. SGGG e NGG presentano aspetti superiori rispetto alle loro proprietà originali e sono in attesa di ulteriori applicazioni da esplorare grazie al drogaggio dello scandio e del neodimio con due tipi di elementi di terre rare. SGGG e NGG, grazie al drogaggio di due elementi di terre rare, scandio e neodimio, presentano aspetti superiori alle proprietà originali di GGG e attendono di essere esplorati per ulteriori applicazioni.

Riferimenti

[1]ZIMIK K，CHAUHANRR，KUMARR，eta1．Studiosullacrescita dicristallidiNd3+：Gd3Ga5O12(Nd： GGG) con la tecnica czochralski in presenza didiverseportate di gas e utilizzando diverse portate di gas e utilizzando crogioli di diverse dimensioni per la crescita di interfacce piatte[J]．JournaIofCrystaIGrowth，2013，363(3)：76-79．