В.В. Федотова, А.П. Гесь, Г.Л. Бычков. Эпитаксиальный рост

ЭПИТАКСИАЛЬНЫЙ РОСТ ФЕРРИМАГНИТНЫХ
ОКСИДНЫХ ПЛЕНОК
В.В. Федотова, А.П. Гесь, Г.Л. Бычков
Введение.
замещенных
Эпитаксиальные
монокристаллические
феррит-гранатов
являются
слои
Bi-
перспективными
магнитооптическими материалами. Подобные слои обычно получают
методом жидкофазной
эпитаксии
(ЖФЭ). Известно, что частичное
замещение в растворе-расплаве феррита-граната редкоземельных ионов
ионами Bi3+ усиливает фарадеевское вращение до величин 104 град/см и
более в зависимости от длины волны. Однако, эпитаксия толстых Bi3+содержащих пленок граната имеет некоторые особенности [1]. Поскольку в
структуре граната радиус замещающих ионов висмута превышает размеры
замещаемого редкоземельного иона в додекаэдрической позиции, величина
замещения зависит от типа замещаемого редкоземельнго иона так же, как и
от технологических параметров роста пленок [2].
В данной работе представлены результаты исследований роста
монокристаллических толстых пленок для систем (Lu1-хBiх)3(FeGa)5O12 и
[(LuGd)1-хBiх]3(FeGa)5O12.
1. Методика эксперимента. Пленки были выращены методом ЖФЭ
на
монокристаллических
подложках
гранатов
Gd3Ga5O12
и
(GdCa)3(MgZrGa)5)12, ориентированных в плоскости {111}.
Выбор
относительного
содержания
х
ионов
Bi3+
в
узлах
додекаэдрической подрешетки обусловлен необходимостью получения
пленок с высоким значением фарадеевского эффекта, что обычно
соответствует максимальному содержанию висмута. Известно, что феррит779
гранаты Lu3Fe2О12 имеют параметр решетки а = 12.280 Å, являющийся
наименьшим среди всех незамещенных феррит-гранатов. Поэтому, при
использовании подложки Gd3Ga5O12 с а = 12.383 Å можно вырастить пленки
состава Lu2Bi1Fe5O12 с минимальным несоответствием между параметрами
решетки пленки и подложки. Значение угла фарадеевского вращения
Lu3Fe2О12 в области 70 – 350 К не зависит от температуры [3], что позволяет
получать замещенные пленки со слабо зависящим от температуры
фарадеевским вращением.
При эпитаксиальном росте пленок Lu1-xBixFe5O12 использовался
раствор-расплав с молярным соотношением компонент PbO/R2O3 = 10-25,
PbO/B2O3 = 3-10, PbO/Bi2O3 = 1-2, (R2O3 = Fe2O)/(R2O3 + Fe2O3 + PbO + B2O3
+ Bi2O3) = 0.13 – 0.15.
2.
Результаты
исследований.
Использованная
технология
выращивания позволяла получать слои толщиной до 90 мкм при х = 0.8 с
фарадеевским вращением 1400 град/см при длине волны 1.15 мкм. При
попытке вырастить более толстые слои поверхность пленок теряла
зеркальный блеск и становилась менее гладкой.
С целью увеличения количества замещающих ионов Bi3+ в пленках
при сохранении допустимого несоответствия между параметрами решетки
пленки и подложки часть атомов Bi3+ была замещена ионами Ga3+ c
меньшим
ионным
радиусом
(а
=
1.15
Å).
Для
пленок
состава
(LuBi)3(FeGa)5O12 фарадеевское вращение составляло 1600 град/см, что
указывает на большее количество встроенных в решетку ионов Bi3+. Однако
нам не удалось вырастить пленки высокого качества с толщиной более 20
мкм. Наблюдаемое нарушение зеркальности и возникновение трещин на
пленках толщиной выше 20 мкм, по-видимому, являются следствием
значительных
локальных
напряжений,
780
вызванных
заметным
несоответствием ионных радиусов Lu3+ и Bi3+ в додекаэдрических узлах в
структуре граната.
Для уменьшения роли фактора размерности, а также увеличения
концентрации ионов Bi3+ и толщины слоев без снижения качества их
поверхности можно ввести в додекаэдрическую подрешетку ионы Gd3+ с
близким ионным радиусом [4]. С этой целью было проведено комплексное
изучение
влияния
условий
роста
на
физические
свойства
пленок
(BiGdLu)3(FeGa)5O12 при частичном замещении ионов Lu3+ ионами Gd3+.
Путем варьирования относительного содержания ионов лютеция, висмута и
гадолиния в растворе-расплаве был найден оптимальный состав, а также
величины переохлаждения и температурный интервал роста для получения
пленок с максимально близкими параметрами решетки подложки и пленки.
В этих условиях были выращены пленки высокого качества толщиной до
100 мкм, однако их фарадеевское вращение было менее 1600 град/см,
поскольку не увеличивалось содержание Bi3+.
Подобный результат для этой системы пленок может быть получен
также при использовании подложек с большим параметром решетки,
например, подложки состава (GdGa)3(MgZrGa)5O12 с а = 12.491 Å. В этом
случае степень замещения может быть значительно увеличена, приводя к
увеличению параметра решетки до необходимого соответствия. Для
выращивания
на таких
подложках
толстых
Bi-замещенных
пленок
практически всех составов требовалось время более 10 ч. При этом, состав
раствора-расплава должен быть выбран таким, чтобы в результате
длительного переохлаждения растущей пленки не происходило изменения
данного состава. В противном случае флуктуации состава и структуры в
растворе-расплаве, возникающие при длительном процессе роста, а также
локальные микронапряжения в результате несоответствия радиусов ионов
781
размерам додекаэдрических позиций в структуре граната приводило к
возникновению элементарных плоскостей, отличных от плоскости {111},
например, ориентаций типа {110} и {211}. Скорость их роста значительно
меньше, чем для {111}, поэтому в этих местах наблюдались фигуры роста
(рис. 1). Эти дефекты могут проявляться как в нарушении блеска
поверхности, так и приводить к полному разрушению пленок.
Рис. 1. Характерные дефекты на поверхности пленок (BiGdLu)3(FeGa)5O12
Посредством вариации соотношения компонент в растворе-расплаве,
степени
его
переохлаждения
и температуры роста были найдены
оптимальные условия роста пленок толщиной до 160 мкм без структурных
дефектов.
Оптимальное
составляло величины
значение
переохлаждения
раствора–расплава
Т = 50-100 К при температуре роста 1090-1130 К.
Фарадеевское вращение выращенных в таком режиме пленок составляло
20000 град/см при
= 1.3 мкм. Время роста пленок толщиной 90 – 160 мкм
длилось от 6 до 10 часов, что, естественно, приводило к нарушениям
782
температурного режима и вызывало флуктуации состава раствора-расплава
в зависимости от времени формирования Bi-содержащих комплексов и
появление структурных неоднородностей. Эти факторы существенно
изменяют
кинетику
кристаллизации
пленок,
проявлявшуюся
в
возникновении слоистости пленок (рис. 2), а также во флуктуациях
распределения кристаллообразующих компонент в объеме эпитаксиальной
структуры граната.
В
пленках
толщиной
более
90
мкм
содержание
элементов
исследовалось на сколе образца методом ретгеноспектрального анализа на
различных расстояниях от поверхности пленки до переходного слоя пленка
– подложка. Из результатов этих исследований, показанных на рис. 3, видно,
что несмотря на присутствие ростовых слоев на рис. 2 заметных флуктуаций
содержания Lu и Bi не наблюдается.
Рис. 2. Слоистая структура пленок (BiGdLu)3(FeGa)5O12
с толщинами более 100 мкм
В переходном слое вблизи границы пленка – подложка наблюдается
заметное
увеличение
содержания
ионов
гадолиния.
Одновременное
появление галлия в переходном слое возможно благодаря значительной
783
диффузии этих ионов из подложки в процессе длительного выращивания,
поскольку этот элемент входит в состав подложки (GdGa)3(MgZrGa)5O12.
Ионы галлия в структуре граната могут занимать как окта-, так и
тетраэдрические позиции и замещать ионы железа в пленках вблизи
переходного слоя, поскольку радиус ионов галлия меньше. Существенное
снижение концентрации ионов железа вблизи границы пленка – подложка
также видно из данных рентгено-спектрального анализа (рис. 3).
Рис. 3. Распределение основных компонент по толщине пленок
(BiGdLu)3(FeGa)5O12: 1- Bi, 2 – Gd, 3 – Fe, 4 – Lu, 5 - Ga
Заключение. Таким образом, мы показали возможность выращивания
пленок системы (LuBiGd)3(FeGa)5O12 толщиной до 100 мкм с зеркальной
поверхностью и высоким значением угла фарадеевского вращения (до 2000
град/см). Подобные эпитаксиальные структуры могут быть использованы в
качестве активных элементов целого ряда магнито-оптических устройств.
784
Список литературы
1. J.A. Golovchenko, B.W. Batterman, W.L. Brown, Phys. Rev., B10 (1974)
4239.
2. Ю.Л. Сапожников, Л.Л. Берзин, Ю.Г. Саксонов, Г.Я. Федорова, Неорг.
материалы, 13 (1977) 558.
3. K. Shinagava, H. Takeuchi, S. Tanenuchi, Jpn. J. Appl. Phys., 12 (1973)
466.
4. S. Geller, Physics of Magnetic Garnets, North Holland, New York, 1978,
p.1.
785