GGG vs. SGGG-Kristallsubstrate: Welches ist die bessere Wahl für Ihre technischen Anforderungen?

1 Einleitung

Gadolinium-Gallium-Granat (GGG) und Samarium-Gadolinium-Gallium-Granat (SGGG ) sind Kristalle mit einer Granatstruktur, die einzigartige optische Eigenschaften wie nichtlineare Optik und magneto-optische Eigenschaften sowie magnetische und thermische Eigenschaften aufweisen. Dadurch finden sie breite Anwendung in der Optoelektronik, der Sensorik und dem Magnetismus. Im Großen und Ganzen besitzt SGGG aufgrund der Einführung von Sm3+ im Vergleich zu GGG intensivere optische, magnetische, thermische und elektrische Eigenschaften, aber in Bezug auf Stabilität und Reife der Entwicklung ist GGG derzeit immer noch der Mainstream.

2 Die Kristallstruktur von GGG und SGGG

Die Kristalle von Gadolinium-Gallium-Granat (GGG) gehören zum kubischen Kristallsystem, einer Art isometrischem Kristallsystem. Die Gitterkonstante beträgt 12,383 Å und die kristallographische Einheitszelle besteht aus 8 chemischen Moleküleinheiten. Als Abkömmling des Granat-Kristallsystems ähnelt seine Kristallstruktur der des Granats, wobei Gd2+ und Ga3+ jeweils die positiv besetzten Ionenpositionen in Verbindung mit einem ortho-Oktaeder oder einem tetraedrischen Gerüst aus [GaO4]4- einnehmen. Ähnlich wie Granat kristallisiert GGG in der Regel ortho-dodekaedrisch, wobei auch deltoidale Ikositetraeder vorkommen können.

Samarium-Gadolinium-Gallium-Granat (SGGG) ist ein Kristall, der durch Ersetzen eines Teils von Ga3+ durch Sm3+, das in GGG dotiert ist, gewonnen wird und in Aussehen und Kristallstruktur GGG ähnlich ist. Der Ionenradius von Sm3+ ist größer als der von Ga3+, so dass die Substitution von Ga3+ durch Sm3+ an der gleichen Position zu einer leichten Verzerrung der Kristallstruktur führt, was eine kleine Änderung der Kristallstruktur von SGGG bewirkt und zu einem teilweisen Unterschied in den Eigenschaften führt.

3 Optische Eigenschaften von GGG und SGGG und verwandte Anwendungen

3.1 Nichtlineare optische Eigenschaften

GGG und SGGG gehören zum kubischen Kristallsystem, und ihre Kristallstrukturen weisen keine zentrale Symmetrie auf; in der nicht-zentrosymmetrischen Struktur ist die zentrale Inversionssymmetrie gleichzeitig gebrochen, was dazu führt, dass GGG nichtlineare Effekte zweiter Ordnung aufweist, wie z. B. Second Harmonic Generation (SHG) und Optical Parametric Oscillation (OPO) usw. Somit haben GGG und SGGG nichtlineare optische Eigenschaften und finden wichtige Anwendungen in Lasern sowie in der Kommunikation und Sensorik.

3.1.1 Anwendungen im Zusammenhang mit den nichtlinearen optischen Eigenschaften von GGG

Lasertechnik: GGG kann zur Herstellung von Second Harmonic Generation (SHG) und optischen parametrischen Oszillatoren (OPO) verwendet werden, die zur Frequenzverdopplung der Laserleistung, Frequenzmischung und anderen Prozessen in der Laserbearbeitung, Spektralanalyse, biomedizinischen Bildgebung usw. eingesetzt werden können.

LIDAR-Systeme: GGG kann auch zur Herstellung nichtlinearer Optiken in LIDAR-Systemen zur Modulation, Zusammenführung und Erkennung von Laserstrahlen verwendet werden. LIDAR-Systeme werden häufig in der Fernerkundung, der geologischen Erkundung, der Luft- und Raumfahrt und anderen Bereichen eingesetzt.

Optische Kommunikation und Sensorik: GGG kann zur Herstellung von Geräten wie optischen Modulatoren und optischen Schaltern verwendet werden, die zur Modulation und Steuerung der Übertragung und Verarbeitung optischer Signale eingesetzt werden, um eine hocheffiziente und verlustarme optische Signalübertragung zu realisieren. Sie können auch zur Herstellung optischer Sensoren verwendet werden, die Parameter wie Intensität, Frequenz und Phase der optischen Signale erfassen. GGG-basierte Sensoren werden häufig in den Bereichen Umweltüberwachung, medizinische Diagnostik und industrielle Kontrolle eingesetzt.

3.1.2 Verbesserte nichtlineare optische Eigenschaften von SGGG

SGGG-Kristalle werden mit Sm3+ dotiert, um einen Teil des Ga3+ in GGG-Kristallen zu ersetzen, was zu einer geringfügigen Veränderung der Kristallstruktur und damit zu bestimmten Veränderungen der optischen Eigenschaften führt. Durch die Einführung von Sm3+ wird ein nichtlinearer Polarisationsmechanismus hinzugefügt, der zu einer verbesserten nichtlinearen optischen Reaktion von SGGGs führt, die in einigen nichtlinearen optischen Anwendungen größere nichtlineare optische Koeffizienten sowie eine höhere Umwandlungseffizienz aufweist.

Dies bedeutet jedoch nicht, dass SGGG GGG in nichtlinear-optischen Anwendungen vollständig übertreffen und ersetzen kann. Durch die Einführung von Sm3+ werden zwar höhere nichtlineare optische Koeffizienten erreicht, aber durch die Veränderung der Kristallstruktur nimmt die Stabilität der optischen Leistung von SGGG leicht ab. Die Änderung macht SGGG empfindlicher gegenüber den Umgebungsbedingungen in den Anwendungsszenarien, so dass SGGG bei hohen Anforderungen an die Stabilität und Beständigkeit immer noch besser ist als SGGG. Bei hohen Anforderungen an Stabilität und Konsistenz ist GGG immer noch eine bessere Wahl als SGGG.

3.2 Magnetooptische Eigenschaften

GGG und SGGG haben magneto-optische Eigenschaften. Der magnetooptische Effekt ist ein Phänomen, bei dem sich die optischen Eigenschaften eines Materials unter einem angelegten Magnetfeld verändern. Diese Veränderung kann sich in einer Änderung des Polarisationszustandes, des Brechungsindexes oder der Absorption von Licht usw. äußern. Der magneto-optische Effekt von GGG entsteht hauptsächlich durch die Wechselwirkung zwischen seiner Kristallstruktur und den inneren Ionen sowie durch den Einfluss des angelegten Magnetfeldes. Unter der Einwirkung eines Magnetfeldes ändern sich die Spin- und Orbitalbewegungen der Ionen (in der Regel Übergangsmetallionen) in magnetooptischen Kristallen, was zu einer Veränderung der optischen Eigenschaften führt. Bei einem angelegten Magnetfeld interagieren die Spins der Ionen in magnetooptischen Kristallen mit Photonen, was zu einer Drehung der Polarisationsrichtung des Lichts führt. Dieses Phänomen ist auch als Faraday-Effekt bekannt.

3.2.1 Anwendungen im Zusammenhang mit dem magnetooptischen Effekt

Magnetooptische Speicherung: Der magnetooptische Effekt von GGG wird häufig in magnetooptischen Speichergeräten verwendet. Durch die Ausnutzung des magneto-optischen Effekts ist es möglich, Informationen auf dem Medium zu schreiben, zu lesen und zu löschen. Magnetooptische Speicher haben die Vorteile einer hohen Speicherdichte, hoher Geschwindigkeit und Langzeitstabilität und bieten daher wichtige Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Datenspeicherung.

Optische Geräte für Kommunikation und Sensorik: GGG und SGGG können auch zur Herstellung optischer Geräte wie optischer Modulatoren und optischer Schalter verwendet werden. Diese Geräte können die Modulation und Steuerung von optischen Signalen realisieren, die in den Bereichen der optischen Kommunikation, der optischen Signalverarbeitung und der optischen Sensorik eingesetzt werden. Der magnetooptische Effekt ermöglicht die Modulation und Steuerung optischer Signale in optischen Fasern für Anwendungen wie Magnetfeldmessung und Magnetfeldabbildung. Magnetooptische faseroptische Sensoren haben die Vorteile einer hohen Empfindlichkeit, einer schnellen Reaktionszeit und einer starken Anti-Interferenz-Fähigkeit, so dass sie eine breite Palette von Anwendungen im Bereich der Magnetfeldmessung und -abbildung haben.

Optische Isolatoren: Der magneto-optische Effekt kann auch zur Herstellung von optischen Isolatoren genutzt werden, die die Rückwärtsausbreitung und das Übersprechen von optischen Signalen verhindern. Optische Isolatoren spielen eine wichtige Rolle in der optischen Kommunikation und in optischen Geräten, um die Stabilität und Leistung des Systems zu verbessern.

3.2.2 Verbesserte Effekte bei SGGG

Im Vergleich zu GGG hat SGGG aufgrund der Dotierung mit Sm3+ und seinen ungepaarten Elektronen als Übergangsmetallion einen deutlicheren magneto-optischen Effekt. Und zur gleichen Zeit die entsprechende Stabilität und Anwendung, die beiden haben immer noch ihre Stärken und ergänzen sich gegenseitig.

3.3 Terahertz-Antwort

Der Begriff Terahertz-Antwort bezieht sich auf die Reaktion eines Materials auf das Terahertz-Band (üblicherweise definiert als eine elektromagnetische Welle, die zwischen Infrarot und Mikrowellen liegt, mit einem Frequenzbereich von etwa 0,1 THz bis 10 THz). Das Terahertzband hat viele besondere Eigenschaften, darunter eine hohe Durchdringung, Nicht-Ionisierung und einzigartige Absorptionseigenschaften für biologisches Gewebe und viele Materialien usw. Die magneto-optische Reaktion von GGG und SGGG im Frequenzbereich von 30 G Hz bis 1 T Hz sowie der Reaktionstensor des Materials wurden von Mohsen Sabbaghi et al. untersucht. In diesem Spektralbereich zeigen die Materialien undispersive Eigenschaften und minimale optische Signaldämpfung. Bemerkenswerterweise werden unter Tieftemperaturbedingungen ausgeprägte Terahertz-Faraday-Drehungen in den (S)GGG-Proben beobachtet. Dieses bemerkenswerte gyroelektrische Verhalten ist wahrscheinlich mit dem erhöhten paramagnetischen Spin-Zustand der Gd3+-Ionen in der Materialstruktur verbunden.

3.4 Photolumineszenz

Eine vergleichende Analyse der EPR-, optischen Absorptions- (OA) und Lumineszenzspektren von GGG-Einkristallen wurde von N. Mironova-Ulmane et al. untersucht. In Kristallen, die mit maximalem Neutronenfluss bestrahlt wurden, zeigten die EPR-Spektren mehrere paramagnetische Defekte. In nicht bestrahltem GGG ist die Photolumineszenz durch unregulierte Verunreinigungen gekennzeichnet. Bei Neutronenbestrahlung von GGG zeigt sich jedoch ein breites asymmetrisches Lumineszenzspektrum mit einem auffälligen Peak im Bereich von 725 bis 733 nm. Dieser Peak verstärkt sich proportional mit der Bestrahlungsfluenz. Daher ist diese Spektralbande wahrscheinlich auf das Auftreten von strahleninduzierten Defekten im Material zurückzuführen.

Die Photolumineszenztechnologie hat ein breites Anwendungsspektrum in der biologischen und chemischen Analyse (Fluoreszenzmarkierung, Fluoreszenzspektroskopie usw.) und in der optischen Sensorik sowie in einer Vielzahl von Leuchtmitteln wie Fluoreszenzgeräten, LED-Beleuchtung usw. Die Erforschung der relevanten Eigenschaften von GGG hat dazu geführt, dass sich seine Anwendungsbereiche in Zukunft möglicherweise weiterentwickeln werden.

4 Magnetische Eigenschaften von GGG und SGGG und entsprechende Anwendungen

Wie bereits erwähnt, haben GGG und SGGG magneto-optische Eigenschaften, und das Auftreten magneto-optischer Eigenschaften beruht auf der Magnetisierung von Substanzen in einem Magnetfeld und der daraus resultierenden Änderung der optischen Eigenschaften. Daher ist die Magnetisierungseigenschaft von GGG und SGGG auch eine wichtige Grundlage für deren breite Anwendung. GGG und SGGG weisen aufgrund des magnetischen Moments von Gd3+ Ferromagnetismus auf, der sowohl das Magnetisierungsphänomen als auch den magnetooptischen Effekt unter einem angelegten Magnetfeld zum Ausdruck bringt.

Da die Elektronen in der äußersten Schicht von Gd3+ hauptsächlich 4f-Elektronen sind, haben diese Elektronen mehrere ungepaarte Spinelektronen in ihren Atomorbitalen, was zu Gadoliniumatomen mit hohem Spindrehimpuls führt. Diese ungepaarten Spinelektronen verleihen den Gadoliniumatomen bei Raumtemperatur ein großes spontanes magnetisches Moment, wodurch sie einen ausgeprägten Magnetismus aufweisen. Die Kristallstruktur von GGG und SGGG ist ein kubisches Kristallsystem, das zum hexagonalen Kristall gehört. In dieser Kristallstruktur ist die Gd3+-Spinrichtung im Inneren des Kristalls geordnet, was zur Bildung von magnetischen Domänen führt. Diese geordnete Anordnung trägt zur Ausbildung der makroskopisch beobachtbaren magnetischen Eigenschaften bei.

In Bezug auf Anwendungen kann das Wachstum von ferromagnetischen Granatfilmen auf GGG-Substraten zur Herstellung von magneto-optischen Geräten und magnetischen Blasenspeichern verwendet werden. Das Wachstum von III-V-Verbindungshalbleitern auf GGG-Substraten kann u. a. für optische Kommunikationssysteme wie integrierte magneto-optische Isolatoren und Laserdioden, integrierte magneto-optische Schaltungen mit integrierten Sendern, Detektoren, Isolatoren, Zirkulatoren, nicht-überschneidenden gegenseitigen Verschiebern, Modulatoren usw., magnetische Aufzeichnungen mit integrierten magnetischen Leseköpfen und Magnetometrie verwendet werden.

5 Thermische Eigenschaften von GGG und SGGG und verwandte Anwendungen

Synthetische Kristalle mit Granatstruktur werden nicht nur in der Quantenelektronik eingesetzt, sondern finden auch in vielen anderen wissenschaftlichen und technischen Bereichen Anwendung. Die Notwendigkeit, die thermophysikalischen Eigenschaften von Granaten zu untersuchen, ergibt sich aus der unverzichtbaren Rolle, die sie bei der Erleichterung präziser technischer Berechnungen spielen, die für das Design und die Optimierung von entsprechenden Geräten entscheidend sind. Ohne ein umfassendes Verständnis dieser Eigenschaften ist es schwierig, die Wirksamkeit und Zuverlässigkeit solcher Geräte zu bestimmen. D. A. Samoshkin und S. V. Stankus et al. haben neue und zuverlässige experimentelle Daten über die Wärmekapazität von NGG und GGG im Festkörpertemperaturbereich von 300-975 K untersucht. Die experimentellen Ergebnisse wurden mit bestehenden Literaturdaten verglichen. Zum ersten Mal wurden Daten für den Temperaturbereich von 700-975 K ermittelt. Unter den gleichen Bedingungen steigt der Wärmekapazitätskoeffizient von GGG allmählich mit zunehmender Temperatur an, wobei sich die steigende Tendenz allmählich verlangsamt und ein zunehmend gleichmäßiges Bild zeigt.

6 Herstellung von GGG und SGGG

Bei der Herstellung von GGG- und SGGG-Kristallen nach der Czochralski-Methode ist eine sorgfältige Kontrolle der Temperatur und der Heberate von größter Bedeutung.

Temperaturkontrolle: Ein präzises Temperaturmanagement innerhalb der Schmelze ist für das Czochralski-Verfahren von zentraler Bedeutung. Es geht darum, eine Temperaturverteilung aufrechtzuerhalten, die den Schmelzpunkt an der Fest-Flüssig-Grenzfläche gewährleistet und gleichzeitig eine gewisse Unterkühlung um die Impfkristalle herum erzeugt. Diese Unterkühlung verhindert die Bildung zusätzlicher Kerne und erleichtert die geordnete Anordnung der Atome oder Moleküle zu einer Einkristallstruktur. Die kontinuierliche Wärmezufuhr durch den Heizer ist unerlässlich, um die Schmelze auf der erforderlichen Temperatur zu halten, die oft deutlich über den Umgebungsbedingungen liegt.

Heberate: Die Geschwindigkeit, mit der der Kristall angehoben wird, hat einen großen Einfluss auf seine Wachstumsrate und Qualität. Eine optimale Rotationsgeschwindigkeit fördert die effektive Durchmischung der Schmelze, minimiert radiale Temperaturgradienten und verhindert eine übermäßige Unterkühlung der Komponenten. In der Regel wird eine Hubgeschwindigkeit im Bereich von 6-15 mm pro Stunde verwendet, um die gewünschten Kristallwachstumseigenschaften zu erreichen.

Hochwertige kernlose GSGG-Kristalle lassen sich leicht züchten und vermeiden Verunreinigungen, Spannungen und andere Defekte, die durch das Wachstum kleiner Oberflächen verursacht werden.

GGG-Einkristalle mit weniger als 5 Defekten/cm 2, die durch Iridiumeinschlüsse und Versetzungen verursacht werden, wurden von D. F. O'Kane et al. mit einem computergesteuerten Czochralski-Kristallwachstumsfernsehsystem gewonnen. Die reine Stickstoffatmosphäre in der Kristallziehvorrichtung reduzierte erfolgreich die Iridiumeinschlüsse in den gezogenen Kristallen. Während des Kristallwachstums verhinderten die hohe Rotationsgeschwindigkeit der Kristalle und die langsame Ziehgeschwindigkeit das Entkernen; bei dieser hohen Rotationsgeschwindigkeit konnten Schlieren in den Kristallen beobachtet werden. Versetzungen werden durch eine gute Kontrolle des Kristalldurchmessers während des Wachstums vermieden. Es wurde ein Ätzverfahren entwickelt, um Versetzungen sichtbar zu machen. Die Gitterparameter von GGG änderten sich während der für das Wachstum erforderlichen 26 Stunden nicht. Ein Überschuss an Ga203 in der Schmelze führte nur zu einer leichten Abnahme des Gitterparameters, während ein Überschuss an Gd203 den Gitterparameter deutlich erhöhte.

7 Schlussfolgerung

Gadolinium-Gallium-Granat (GGG) und Samarium-Gadolinium-Gallium-Granat (SGGG) sind kristalline Materialien, die für ihre Granatstruktur bekannt sind und sich durch bemerkenswerte optische, magnetische und thermische Eigenschaften auszeichnen. Diese einzigartigen Eigenschaften, einschließlich nichtlinearer Optik und magneto-optischer Effekte, machen sie in verschiedenen Bereichen wie Optoelektronik, Sensortechnik und Magnetismus unverzichtbar. Während sowohl GGG als auch SGGG weitreichende Anwendungen finden, weist SGGG durch die Beimischung von Samarium (Sm3+) verbesserte optische, magnetische, thermische und elektrische Eigenschaften auf. Trotz seiner überlegenen Eigenschaften bleibt GGG jedoch die vorherrschende Wahl aufgrund seiner bewährten Stabilität und Reife in der Entwicklung innerhalb der aktuellen Landschaft der Materialwissenschaft und -technik.

Weiterführende Lektüre:

Innovationen in der Optik: Die Rolle von GGG-, SGGG- und NGG-Granatkugeln

Referenz

[1]Mironova-Ulmane N ,Popov A ,Antuzevics A , et al. EPR und optische Spektroskopie von mit Neutronen bestrahlten Gd 3 Ga 5 O 12 Einkristallen[J]. Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, B,2020,480.

[2]Mohsen S ,W. G H ,Michael W , et al. Terahertz-Reaktion von Gadolinium-Gallium-Granat (GGG) und Gadolinium-Scandium-Gallium-Granat (SGGG)[J]. Journal of Applied Physics, 2020, 127(2).

[3]Samoshkin A D ,A D S ,V S S . Wärmekapazität von Neodym- und Gadolinium-Gallium-Granaten[J]. Journal of Physics: 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).