磁光材料制备优化技术

稀土磁光材料的主要制备方法有几种，现分别简述如下。

（1）高温溶液（助溶剂）法。该方法是使高熔点的结晶物质溶解于低熔点的助溶剂内形成饱和溶液，再通过降温或蒸发等方式，使欲生长的物质自发结晶或在籽晶上生长。一般采用该方法生长出其他方法不易制备的高熔点非同成分共熔化合物，如钇铁石榴石（YIG）。

采用高温溶液法可以制备钇铁石榴石（YIG）及其掺质的单晶。由于这类材料在空气中达到1555℃时才熔化，为了能在较低温度下生长单晶，在配料中除了生长单晶所必需的溶质原料外，还要配入能降低熔料熔点而不进入单晶的助熔剂原料。最常用的助熔剂是以PbO为基的PbO-B2O3或Pb F2系列。

单晶制备过程为：将生长单晶所必需的熔质原料按成分配比进行配料，装入球状铂坩埚中，然后将坩埚放在箱式炉中在固—液相转变点温度1250℃以上加热，使熔料熔化，为了搅拌熔料，应使坩埚围绕垂直轴旋转，静置，然后缓慢冷却，通过自发生核方式制成单晶。

（2）等温浸渍液相外延法。稀土铁石榴石单晶薄膜的制备采用等温浸渍液相外延法，常用的助熔剂为Pb-BiOg系，生长掺Bi的石榴石单晶薄膜时，BiO3既是熔剂，又是熔质。PbO有强烈的化学腐蚀作用，液相外延所用的器皿、坩埚和样品支架都是用耐PbO腐蚀的铂制成。熔料选用纯度大于99.99%的氧化物粉。按配方称好的原料，混匀后放入铂坩埚中，然后开始生长。熔液在1100～1200℃均化4～6h，随后降温至液相外延生长温度以上10～20℃，保温数分钟后，将衬底放入坩埚中进行液相外延生长。

（3）溅射法。溅射法是通过高能惰性气体离子碰撞，把原材料中的原子打出来再进行沉积。其沉积固化过程是一个原子接一个原子排列堆积，增长速度很慢，但该方法所制得的非晶薄膜的稳定性较高。

1）高频溅射。一般用高频溅射制备Gd-Co膜。高频溅射仪实际上由相互隔开的一对水冷铜电极组成。稀土—铁族金属合金或嵌镶靶放在底部电极（阴极）处，而玻璃衬底放在阳极中心。溅射条件的一个实例为：靶直径为20mm的Gd-Co盘（负荷条件13.56MH、5k V、100～400mA、2.67Pa、氩气氛；电极之间的距离40mm；溅射速率5～15nm/min；膜厚20～2000nm；衬底为玻璃、云母、硅、陶瓷等。(www.xing528.com)

有时采用各种嵌镶的靶，稀土片放在铁族金属盘中，膜的成分由稀土和铁族金属的面积比来控制。

上述条件制得的Gd-Co膜，用平面场下的振动样品磁强计测试曲线表明，该膜具有垂直的磁各向异性，在电子衍射图中能观察到晕圈，表明这种膜是非晶态的。

2）磁控溅射。用上述沉积方法，难以制备垂直磁化均匀的膜，也难以控制膜的性能。多源高频溅射方法适用于制备均匀的稀土铁族金属非晶薄膜。

采用多靶溅射系统的结构为：水冷靶电极在半径为12.5cm的圆上按90°分隔。每个靶直径为100mm，厚0.5～2mm。每个靶片连接在有铟（In）的背向片上。靶电极上的磁场强度为（1.6～2.4）×104A/m。当高频功率是250W时，对Gd、Tb的自偏压是-400V。衬底支架用水冷并接地的。靶到衬底的距离是55mm。衬底转速为0～150r/min可调。

溅射前，真空室抽真空达1.07×10-4Pa，用纯氩气充填。溅射时，氩气压保持在0.667Pa。通过控制加到每个靶上的功率，得到所需成分的膜。沉积速率10～20nm/min，大小取决于成分，而总的高频功率是400W。

（4）真空蒸发。用真空蒸发可制备几种稀土—铁族金属非晶薄膜，即把稀土—铁族金属合金放入钨盘中，在2.33×10-4Pa真空中蒸发。在某些合金中，如TbFe、HoCo、Gd Fe等，易于制得有垂直磁化的非晶薄膜，但GdCo膜显现为平面磁化，用电子轰击加热两个源而同时蒸发沉积的膜也显现相同的结果。