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

1 Vorwort

Der flächendeckende Aufbau von 5G-Netzen eröffnet neue Möglichkeiten für den Markt der Glasfaserkommunikation. Glasfaser ist das einzige Material, das die erforderlichen hohen Datenübertragungsraten ermöglicht. Während die Nachfrage nach Glasfasern aufgrund der 5G-Netze sprunghaft ansteigt, nimmt auch die Nachfrage nach Glasfaserisolatoren zu. Glasfaserisolatoren werden in Kombination mit köderdotierten Faserverstärkern eingesetzt, um die maximale Verstärkung zu erhöhen und den Rauschindex zu verringern. Bei der raschen Entwicklung der DWDM-Glasfaserkommunikation (Dense Wavelength Division Multiplexing) spielen Hochgeschwindigkeits- und Hochleistungssysteme eine wichtige Rolle. Optische Isolatoren sind in diesem Zusammenhang besonders wichtig.

Gadolinium-Gallium-Granat (GGG), Scandium-Gadolinium-Gallium-Granat (SGGG) und Neodym-Gallium-Granat (NGG) werdenaufgrund ihrer ausgezeichneten magneto-optischen Eigenschaften häufig in verschiedenen magneto-optischen Geräten verwendet und sind ein aufsteigender Stern im Bereich der optischen Materialien.

Abbildung 1 Faseroptik

2 GGG

2.1 Einführung

Gadolinium-Gallium-Granat (GGG, Formel Gd3Ga5O12) ist ein granatähnliches synthetisches kristallines Material, das normalerweise farblos ist. Es hat ein kubisches Kristallgitter, eine Dichte von 7,08 g/cm3 und eine Mohs-Härte von 6,5 und 7,5. Als wichtiges Rohmaterial für optische Geräte hat GGG einige einzigartige Eigenschaften. Es hat einen relativ hohen Brechungsindex. Gleichzeitig hat es eine gute Transparenz im sichtbaren Spektralbereich. Dadurch kann es Licht durchlassen und seine ursprünglichen optischen Eigenschaften beibehalten. Es ist ideal für die Herstellung von optischen Geräten wie Linsen mit hohem Brechungsindex, optischen Komponenten und Lasergeräten. Es weist auch mehrere nichtlineare optische Effekte auf, wie den optischen Kerr-Effekt und den Selbstfokussierungseffekt. GGG hat eine relativ niedrige Wärmeleitfähigkeit und eignet sich aufgrund seiner ausgezeichneten Wärmeableitung ideal für den Einsatz in optischen Geräten und Substraten. Vor allem aber hat GGG hervorragende magneto-optische Eigenschaften, die durch den Faraday-Spin-Effekt gekennzeichnet sind. Diese Eigenschaft hat zu einer breiten Palette von Anwendungen in magneto-optischen Geräten geführt, wie z. B. magneto-optische Speicher und magneto-optische Ablenker.

Abbildung 2 Flockige GGG-Kristalle

2.2 Zeichen

Transistoren und integrierte Schaltungen werden auf der Oberfläche einer Halbleiterplatte hergestellt, die in diesem Fall das Substrat (Chip) ist. Das Halbleitersubstrat spielt nicht nur für die elektrischen Eigenschaften, sondern auch für die mechanische Unterstützung eine Rolle.

Als Substratmaterial hat GGG Eigenschaften, die für Substratmaterialien sehr geeignet sind:

1. Strukturelle Übereinstimmung zwischen Substrat und epitaktischem Film: Epitaxiematerialien und Substratmaterialien haben die gleiche oder eine ähnliche Kristallstruktur, eine geringe Fehlanpassung der Gitterkonstante, gute kristalline Eigenschaften und eine geringe Defektdichte. Da die Gitterkonstante und der Wärmeausdehnungskoeffizient von GGG-Einkristallen mit denen von YIG übereinstimmen, wird GGG-Einkristall als geeignetes Substratmaterial für YIG und YIG-ähnliche magneto-optische Epitaxieschichten angesehen. Diese YIG- und YIG-ähnlichen Materialien haben eine breite Palette von Anwendungen im Bereich der optischen Isolatoren, optischen Wellenleiter und integrierten Optik.

2. Anpassung des Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Substrat und Epitaxieschicht: Die Anpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten ist sehr wichtig. Der Unterschied zwischen Epitaxiefilm und Substratmaterial im thermischen Ausdehnungskoeffizienten ist zu groß, was nicht nur zu einer Verschlechterung der Qualität des Epitaxiefilms führen kann, sondern auch im Arbeitsprozess des Geräts, aufgrund der durch die Beschädigung des Geräts verursachten Hitze.

3. Die chemische Stabilität des Substrats und der Epitaxieschicht müssen übereinstimmen: Das Substratmaterial sollte eine gute chemische Stabilität aufweisen und den Epitaxiefilm schützen, während es seine Stabilität beibehält und sich während der Verarbeitung nicht zersetzt.

4. Die Einfachheit der Herstellung und die Kosten der Materialien: Um in der Massenproduktion eingesetzt werden zu können, muss die Herstellung des Substratmaterials ein einfaches Verfahren und möglichst geringe Kosten erfordern.

Abbildung 3 XRD-Muster von GGG bei 1000°C

2.3 Herstellung

Die überwiegende Mehrheit der magnetischen Blasenspeicher wird auf Gadolinium-Gallium-Granat-Substraten (GGG) hergestellt. Diese Substrate dienen nicht nur als Träger, sondern auch als Keime für das epitaktische Wachstum der magnetischen Speicherschichten. Jeder Defekt in der Substratstruktur wird in der Epitaxieschicht reproduziert, daher muss das Substrat sehr gleichmäßig sein. Daher muss die Technologie des Präparationsprozesses von GGG selbst sehr perfekt sein, um seine Qualität zu gewährleisten. Die gebräuchlichste Methode zur Herstellung von GGGs ist die Zugmethode, und zwei der wichtigsten Aspekte des Zugvorbereitungsprozesses sind die Kontrolle von Temperatur und Geschwindigkeit.

1. Kontrolle der Temperatur: Die Temperaturkontrolle der Schmelze ist der Schlüssel zum Kristallwachstumsprozess bei der Zugmethode. Die Temperaturverteilung in der Schmelze ist erforderlich, um die Schmelzpunkttemperatur an der Fest-Flüssig-Grenzfläche aufrechtzuerhalten und sicherzustellen, dass die Schmelze um den Impfkristall herum einen gewissen Grad an Unterkühlung aufweist, während der Rest der Schmelze überhitzt bleibt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Schmelze entsprechend der Struktur des zu einem Einkristall angeordneten Impfkristalls keine weiteren Kerne, Atome oder Moleküle an der Grenzfläche erzeugt. Um einen bestimmten Grad der Unterkühlung aufrechtzuerhalten, muss sich die Wachstumsgrenzfläche ständig zu niedrigeren Temperaturen hin bewegen, weg von der isothermen Oberfläche des Erstarrungspunktes, damit die Kristalle wachsen können. Darüber hinaus ist die Temperatur der Schmelze in der Regel viel höher als die Raumtemperatur, um die Schmelze auf der richtigen Temperatur zu halten, sondern auch durch die Heizung muss auch eine kontinuierliche Zufuhr von Wärme haben.

2. Heberate: Die Hubgeschwindigkeit bestimmt die Geschwindigkeit und Qualität des Kristallwachstums. Mit einer angemessenen Drehzahl kann die Schmelze eine gute Durchmischung erzeugen und den radialen Temperaturgradienten reduzieren, um zu verhindern, dass die Komponenten des Zwecks der Unterkühlung. Die allgemeine Heberate beträgt 6-15 mm pro Stunde.

Darüber hinaus entstehen durch das Wachstum des GGG-Materials selbst manchmal neblige weiße Partikel in den Kristallen, was die optische Nutzung beeinträchtigt. Die damit zusammenhängenden technischen Gründe und Verbesserungsmöglichkeiten werden ebenfalls erforscht.

Abbildung 4 Gelegentlich treten in GGG-Kristallen neblige weiße Flecken auf

2.4 Anwendungen (in der Kältetechnik)

Magnetische Materialien ändern in einem angelegten Magnetfeld die Richtung ihres magnetischen Moments. Dieser Vorgang geht mit einer Änderung der magnetischen Entropie einher, nämlich der Entropieänderung, die durch die Neuausrichtung des magnetischen Moments im äußeren Magnetfeld verursacht wird. Ein Wärmeaustausch findet statt, wenn magnetische Materialien in einem Magnetfeld eine magnetische Entropieänderung erfahren. Durch die Konstruktion eines magnetischen Kühlsystems ist es möglich, ein Objekt abzukühlen und gleichzeitig Wärme zu absorbieren. In der magnetischen Kältetechnik wurde GGG erfolgreich im Temperaturbereich unter 20 K für den He-II-Strom sowie für die Helium-Stickstoff-Verflüssigung in der Vorstufe der Kühlung eingesetzt.

Bild 5 Säulenförmige GGG-Kristalle

3SGGG&NGG

3.1 SGGG

Scandium-Gadolinium-Gallium-Granat-Kristalle (SGGG, Formel Gd3Sc2Ga3O12) sind Kristalle, die durch Ersetzen eines Teils des Ga3+ in GGG-Kristallen durch Sc3+ gewonnen werden. Sie haben eine ähnliche Struktur und ein ähnliches Aussehen und werden nach demselben Verfahren hergestellt. GSGG hat einige Vorteile:

1. Ähnlich wie GGG sind die hochwertigen kernlosen GSGG-Kristalle leicht zu züchten und können die durch das Wachstum kleiner Oberflächen verursachten Verunreinigungen und Spannungen vermeiden.

2. Sc-haltiger Granat hat eine höhere Wärmeleitfähigkeit und stabile physikalisch-chemische Eigenschaften, besitzt eine höhere Wärmeableitungseffizienz und vermeidet effektiv Probleme, die durch Oberflächenüberhitzung verursacht werden.

Tabelle 1 Vergleich der Eigenschaften von GGG und SGGG

3.2 NGG

Neodym-Gallium-Granat-Kristalle (NGG) sind Kristalle, die durch Ersetzen eines Teils des Ga3+ in GGG-Kristallen durch Nd3+ gewonnen werden. Seine Vorteile liegen hauptsächlich in folgenden Punkten:

1. Der Kristall ist relativ leicht zu züchten, und die Kristallwachstumsrate kann 5 mm/h erreichen.

2. Der Kristall kann an einer flachen Grenzfläche ohne Spannungskonzentration und mit wenigen Verunreinigungen gezüchtet werden, was die Herstellung großformatiger Lamellen für Hochleistungs-Kristallanwendungen erleichtert.

3. Nd in Yttrium-Aluminium-Granat (YAG)-Kristallen hat einen Verteilungskoeffizienten von 0,1-0,2, während in GGG-Kristallen der Verteilungskoeffizient von Nd höher ist und bis zu 0,52 beträgt, was die Herstellung von hochkonzentrierten dotierten Laserkristallen begünstigt und somit die Pumpleistung erhöht ^[1].

4. Verglichen mit dem Laser-Verstärkungsmedium Neodymglas haben Nd:GGG-Kristalle eine höhere mechanische Festigkeit und eine höhere Wärmeleitfähigkeit, was die Abkühlung der Kristalle in kürzerer Zeit ermöglicht.

5. Die homomorphe Substitution von Nd3+ durch Gd3+ vermeidet effektiv die Lumineszenzfragmentierung im oberen Energieniveau des Nd3+-Lasers ^[2].

6. Die Lasereffizienz von Nd:GGG-Kristallen ist doppelt so hoch wie die von Neodymglas, einem häufig verwendeten Hochleistungslaser-Verstärkungsmedium, und kann als Laserarbeitsmedium in strategischen Kurzstrecken-Laserwaffen mit einer Leistung von bis zu 100 kW verwendet werden ^[3,4].

Tabelle 2 Vergleich der Eigenschaften von GGG, SGGG und NGG

4 Schlussfolgerung

GGG, SGGG und NGG finden aufgrund ihrer hervorragenden optischen Eigenschaften breite Anwendung in der Lasertechnik, bei optischen Geräten, magnetischen Anwendungen und anderen High-Tech-Bereichen. GGG, als das am meisten erforschte und angewandte Material, wurde in einer Vielzahl von Anwendungen in den Bereichen Laserresonanzkavitäten, magneto-optische Geräte, Laserkristalle usw. eingesetzt; SGGG und NGG haben überlegene Aspekte ihrer ursprünglichen Eigenschaften und warten auf weitere Anwendungen, die aufgrund der Dotierung von Scandium und Neodym mit zwei Arten von Seltenerdelementen erforscht werden. SGGG und NGG haben aufgrund der Dotierung mit zwei Seltenerdelementen, Scandium und Neodym, bessere Eigenschaften als GGG und warten darauf, dass weitere Anwendungen erforscht werden.

Referenzen

[1]ZIMIK K，CHAUHANR R，KUMARR，eta1．Studyon the growth of Nd3+：Gd3Ga5O12(Nd： GGG) crystal by the czochralski technique under different gas flow rates and using different crucible sizes for flat interface growth[J]．JournaIof CrystaIGrowth，2013，363(3)：76-79．