一種磁光晶體材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及在RFeO3(R為稀土元素)摻雜Sm獲得具有室溫自旋重取向轉(zhuǎn)變溫度的Sm1 xRxFe03磁光單晶體材料，屬于材料設(shè)計領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]RFeO3E鐵氧體(R為稀土元素)是具有獨特的磁性質(zhì)的磁光晶體材料。磁光晶體主要應(yīng)用于制作光隔離器、磁光存儲器及磁光調(diào)制器、光纖通信與集成光學(xué)器件、計算機存儲、邏輯運算和傳輸功能、磁光顯示、磁光記錄等。RFeO3正鐵氧體這一系列材料在快速磁光開關(guān)、磁光傳感器、磁存儲等器件的開發(fā)上，顯示出巨大的應(yīng)用潛力，受到國內(nèi)外物理和材料研究工作者的廣泛關(guān)注。
[0003]但是，一般稀土鐵酸鹽RFeO3的自旋重取向溫度均在101K量級，如TmFeOjP HoFeO 3自旋重取向溫度分別為 80K、38 ?52Κ(參見 Nature.2004, 429:6994 !Nature Physics2009，5:10)，所以目前基于稀土鐵氧體單晶材料的研究成果都是在低溫下獲得的，從而阻礙了該系列材料的應(yīng)用研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有稀土鐵酸鹽RFeO3在自旋重取向溫度方面的性能缺陷，本發(fā)明提供了一種磁光晶體材料及其制備方法。
[0005]本發(fā)明提供了一種磁光晶體材料，所述磁光晶體材料的組成化學(xué)式為Sm1 xRxFe03，其中，所述磁光晶體材料為單晶體，R包括Gd、Tb、Yb、Er中至少一種，X的取值范圍為
0.2—0.8 ο
[0006]較佳地，當R為Tb時，所述磁光晶體材料的單晶體自旋重取向溫度范圍在300-450K 之間。
[0007]較佳地，當R為Gd時，所述磁光晶體材料的單晶體自旋重取向溫度范圍在240-400K 之間。
[0008]較佳地，當R為Yb時，所述磁光晶體材料的單晶體自旋重取向溫度范圍在140-440K 之間。
[0009]較佳地，當R為Er時，所述磁光晶體材料的單晶體自旋重取向溫度范圍在200-460K 之間。
[0010]又，本發(fā)明還提供了一種上述磁光晶體材料的制備方法，所述方法包括:
1)根據(jù)所述磁光晶體材料的組成化學(xué)式，稱量Sm2O3粉體、R203粉體和Fe 203粉體，混合后在1000-1200°C下預(yù)燒，然后研磨得到原料粉體；
2)將步驟I)制備的原料粉體，先壓制成圓柱體，再在垂直燒結(jié)爐中、1400-1560°C下燒結(jié)得到多晶料棒；
3)采用光學(xué)浮區(qū)法將步驟2)制備的多晶料棒用于生長晶體，籽晶為SmFeO3SRFeO3t3
[0011]較佳地，步驟I)中將Sm203、R20#P Fe 203混合后壓制成塊體再預(yù)燒，預(yù)燒的時間為10-15小時。
[0012]較佳地，步驟2)中，采用水等靜壓力機在60-100MPa下等靜壓，將原料粉體壓制成圓柱體；燒結(jié)的時間為15-20小時。
[0013]較佳地，步驟3)中，光學(xué)浮區(qū)法的工藝參數(shù)包括:燈絲功率在65% -70%，上下棒旋轉(zhuǎn)速度每分鐘10-20轉(zhuǎn)，生長速度1.0-4.0mm/h，晶體生長在空氣氣氛或氧氣氣氛中進行其空氣流量為每分鐘2-5L，氧氣氣氛時為每分鐘0.2-1L。
[0014]較佳地，所述制備方法還包括步驟4):將步驟3)中生長完畢的晶體在800-1200°C退火時間為8-12小時。
[0015]本發(fā)明的有益效果:
SmFeO3在室溫依然表現(xiàn)出優(yōu)異的物理性能，在SmFeO3*摻入一定比例的稀土元素R，R3+部分取代SmFeO^ae格中的Sm3+獲得具有室溫自旋重取向溫度的磁光晶體材料，并通過磁化強度的測試來篩選適宜的摻雜稀土元素R以及稀土R元素的最佳摻雜量。具有室溫自旋重取向溫度的稀土鐵酸鹽晶體，不僅具有非常重要的學(xué)術(shù)研究價值(如研究晶體的自旋輸運機制、磁疇形成和運動機制以及室溫下激光、電場、磁場誘導(dǎo)磁相變機制等)，也必將加速該系列材料在自旋電子器件中的應(yīng)用。
【附圖說明】
[0016]圖1示出了本發(fā)明的一個實施方式中生長出的Sm1 xRxFe03單晶體；
圖2示出了本發(fā)明的一個實施方式中生長出的Sma7Tba3Fe03a、c兩個方向晶片在相同條件下測得的磁化強度隨溫度的變化關(guān)系，其中曲線a表示[100]方向，曲線c表示[001]方向。
【具體實施方式】
[0017]以下結(jié)合附圖和下述實施方式進一步說明本發(fā)明，應(yīng)理解，附圖及下述實施方式僅用于說明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。
[0018]本發(fā)明涉及SmFeO3中摻雜稀土元素R3+(R為Tb、Er、Yb和Gd等)獲得具有室溫自旋重取向轉(zhuǎn)變溫度的Sm1 xRxFeOjM光單晶體材料，屬于材料設(shè)計領(lǐng)域。
[0019]其設(shè)計思想是:基于SmFeO3在室溫依然表現(xiàn)出優(yōu)異的物理性能，通過在SmFeO 3中摻雜稀土元素R3+(R為Tb、Er、Yb和Gd等)獲得具有室溫自旋重取向溫度的新型磁光晶體材料。
[0020]本發(fā)明提供了一種新型磁光單晶Sm1 xRxFe03的設(shè)計及制備:選擇合適的摻雜稀土元素R及其摻雜比例。初始原料由高純(3N以上)Sm203、R2O3和Fe2O3組成，其中R為Gd、Tb、Yb、Er等稀土元素。
[0021]所述的單晶Sm1 xRxFe03的設(shè)計及制備，包括組分設(shè)計、單晶生長、樣品測試等內(nèi)容:
(I)組分設(shè)計:本發(fā)明的關(guān)鍵在于組分設(shè)計。一般RFe03(R為除了 Sm之外的稀土元素)的自旋重取向溫度很低，只有幾十K左右，通過在SmFeO3中摻雜一定比例的其他稀土元素獲得了具有室溫自旋重取向溫度的新型磁光晶體材料；
原料配方初始原料采用Sm2O3和、R2O3(R為Tb、Er、Gd、Yb等稀土元素)和Fe2O3，三種原料按摩爾比等于1-x: X:1進行配料；
(2)單晶生長:按配方比例稱取所有原料，充分混合均勻后壓制成塊，然后在馬弗爐中100tC預(yù)燒10h，之后再將原料進行研磨，將原料裝入乳膠套中，用水等靜壓力機在60?10MPa壓力下等靜壓成圓柱形料棒。原料棒在垂直燒結(jié)爐以1400 — 1560°C燒結(jié)10_20h，使其充分反應(yīng)得到多晶料棒。再采用光學(xué)浮區(qū)法生長上述單晶體，籽晶采用結(jié)晶良好的SmFeO3單晶或RFeO3單晶，晶體生長在空氣氣氛或氧氣氣氛中進行。生長完成后，在馬弗爐中退火1h ；
(3)樣品測試:將生長出的單晶體勞厄定向后切割成晶片，拋光后在物性測量系統(tǒng)(PPMS-9, Quantum Design Inc.)上測試不同晶向的磁化強度隨溫度的變化關(guān)系。根據(jù)磁化強度隨溫度的變化關(guān)系得到其自旋重取向溫度范圍，以此來確定Sm1 xRxFe03中適宜的摻雜元素R以及稀土 R元素的最佳摻雜量；
即將上述生長出的單晶體Sm1 xRxFeO#lj用勞厄定向后并切割成晶片，然后拋光在物性測量系統(tǒng)(PPMS-9, Quantum Design Inc.)上測試不同晶向的磁化強度隨溫度的變化關(guān)系，確定Sm1 xRxFe03單晶體材料中適宜的摻雜稀土元素R以及稀土 R元素的最佳摻雜量。圖2所示為相同條件下測得的Sm。.Jba3FeO3單晶體不同晶向的磁化強度隨溫度的變化關(guān)系。圖中曲線a表示[100]方向，曲線c表示[001]方向。從圖中可看出低溫下[100]晶向比
[001]晶向更容易磁化，在350K附近易磁化軸由[100]晶向轉(zhuǎn)變至[001]晶向，單晶體自旋重取向溫度范圍在330K?360K。
[0022]通過在SmFeO3中摻雜其他稀土元素R以獲得具有室溫自旋重取向的Smi義^03的單晶。
[0023]通過磁化強度的測試來進一步確定Sm1 xRxFe03中適宜的摻雜元素R及稀土 R元素的最佳摻雜量。<