（微电子学与固体电子学专业论文）纳米晶区磁光多层膜膜材料及应用研究.pdf

摘要 里口目目巴粤.口豆曰. 4 .解决了材料合成中的稀土氧化物难溶、胶液团聚、晶化温度控制 等工艺难点，改造了制备工艺设备，设计了特殊的真空稳定基片 快速旋镀转台，首次成功地制备了 2英寸、3 .5英寸大面积磁光多 层薄膜。 5 .研制出计算机控制的高稳定、高精度磁光测试系统，其技术创新 点是:采用实时除运算消除激光光源波动的所造成的干扰，并用 高线性度的法拉第调制器进行校准。利用该系统对大量实验样品 进 行了 弓、 h 和t 的 测 试。 6 .对多种使材料纳米晶化的工艺方法进行研究.首次采用了快速循 环退火纳米晶化处理，并就纳米晶化机理进行了分析，成功地把 晶粒细化到 5 0 n m以下;同时还采用掺 r b和双层膜交亚的工艺方 法首次实现大尺寸 ( 3 . 5 英寸) 纳米晶b i 代d y i g磁光膜， 掺 r b 薄膜的晶粒也细化到5 0 n m以下，t e m明显显示晶粒较均匀。 7 .对大尺寸 ( 3 .5英寸)溅射和热分解磁光薄膜进行了均匀性研究， 从膜面不同点成分测试结果看，误差在t 4 %之间。厚度不均匀问 题是存在的，通过对旋覆工艺的理论和大量实验的研究，已基本 解 决 了 厚 度 不 均 匀 性 。_产 - 2 - ab s t r a c t 一. 里 . 粤 毕 . . . . . . 口 . . . ab s t r a c t t h i s p a p e r fi r s t l y b a s e d o n t h e m o d e l o f e l e c t r o n t r a n s it i o n a n d t h e d e p o s i t e d p r o c e s s o f f i l m s t o c a l c u l a t e t h e f a r a d a y a n g l e s fr e q u e n c y c h a rt . f r o m t h e c h a rt w e c o n fi r m e d t h e m a t e r i a l h a s e n h a n c e d f a r a d a y a n g l e n e a r v i o l e t a n d g e t t h e r a n g e o f o p t i m u m c o m p o s i t i o n s . s e c o n d l y w e h a v e d o n e s y s t e m r e s e a r c h o n t h e p r o c e s s o f p r e p a r e d b i 、a l s u b s t i t u t e d g a rn e t m u l t i l a y e r ma g n e t o - o p t i c a l fi l m s b y p y r o l y s i s , w e h a v e p r e p a r e d 2 i n c b a n d 3 . 5 in c h l a r g e a r e a m u l t i l a y e r m a g n e t o - o p t i c a l f i l m s . a t t h e s a m e t i m e , w e h a v e s o l v e d t h e n o i s e c a u s e d b y t h e d i ff r a c t i o n o f c rys t a l b o u n d a ry a n d t h e i r r e g u l a r o f r e c o r d i n g d o m a i n f o r m t h e t h e o ry a n d e x p e r i m e n t . w e h a v e u s e d t h e m e t h o d s o f r a p i d r e c u r r e n t a n n e a l i n g a n d r b d o p i n g b o t h o f w h i c h h a v e g a i n e d e x c e l l e n t f in e d c ry s t a l g r a in s . a n d h a v e a l m o s t s o l v e d t h e n o i s e c a u s e d b y c rys t a l b o u n d a ry . f i n a l l y we h a v e a p p r o x i m a t e l y s i m u l a t e d t h e r e c o r d i n g d o m a i n o f b i , a l s u b s t i t u t e d g a rn e t m a g n e t o - o p t i c a l f i l m s , h a v e d o n e m u c h w o r k s o n t h e r e s e a r c h o f t h e m e c h a n i s m o f re d u c i n g t h e g r a i n s t o n a n o s i z e a n d t h e t e s t o f m a g n e t o - o p t i c a l p e r f o r m a n c e . h a v e g o t s o m e h e lp f u l a n d n e w r e s u l t s a s f e l l o w s : 1 . b y t h e f o r m u l a f o r t h e g e n e r a l m a g n e t o - o p t i c a l r e c o r d i n g d o m a in s im u l a t i o n , w e h a v e s im u la t e d th e r e c o r d in g d o m a in o f t h e g a rn e t m a g n e to - o p t ic a l fi lm s a p p r o x im a t e ly , h a v e d o n e th e re s e a r c h 。 。 th e re l a t i o n s b e t w e e n t h e r e g u l a r it y o f r e c o r d i n g b i t a n d t h e m a g n e t i c a n d 川 ，th e rm o -m iw ie tic p ro p e r tie s o f m a te r ia ls . 2 .2 i s ei 名 嘟 向 自 o f 9 成 而 诀 - 坛 兹 ” d -2 1 o n a t t h e s a m e t i me , we h a v e u s e d t h e m e t h o d s o f r b d o p i n g a n d d o u b l e l a y e r f i l m s t o r e a l i z e t h e p r e p a r e o f l a r g e a r e a ( 3 .5 in c h ) b i s u b s t it u t e d n a n o c r y s t a l lin e d y i g m a g n e t o - o p t i c a l f il m s , r b d o p in g fi l m a l s o h as t h e s i z e b e l o w 5 0 n m ,t h e c r y s t a l g r a i n s a r e u n i f o r m i t y . 6 . w e h a v e d o n e t h e r e s e a r c h o n t h e u n i f o r m it y o f l a r g e a r e a ( 3 . 5 i n c h ) f i l m s p r e p a r e d b y v a c u u m m a g n e t i c c o n t r o l s p u t t e r i n g a n d p y r o l y s i s , f o r m t h e r e s u l t o f i n g r e d i e n t t e s t a t t h e d i ff e r e n t p o i n t s o n t h e s a m e f i l m , t h e e rr o r i s b e t w e e n士 4 %,t h e n o n - u n i f o r m o f d e p t h i s e x i s t , t h r o u g h t h e r e s e a r c h o n t h e s p i n n i n g p r o c e s s f r o m t h e o r y a n d a l a r g e a m o u n t o f e x p e r i m e n t s , we h a v e d e v e l o p e d t h e u n i f o r m o f d e p t h . k e y w o r d : ma g n e t o - o p t i c a l m a t e r i a l , ma g n e t o - o p t i c a l r e c o r d i n g , ma g n e t o - o p t i c a l d i s k , p y r o l y s i s , n a n o c ry s t a l l in e m a t e r i a l 一 5 一 第一章绪 论 怪 1 . 1引言 磁光材料被广泛使用于制作各种器件，如磁光调制器、磁光隔离 器和磁光开关、磁光环行器、薄膜波导磁光调制器、薄膜波导非互易 磁光器件、磁光电 流测试仪、磁光偏频激光陀螺和磁光存储，在磁光 存储方面又可用于制作多通道磁光存储器、磁光盘存储系统、磁光全 息存储、磁光显示器、磁光偏转器、磁光复制、磁光信息处理机、磁 光非接触印刷机、磁光录相机和磁光读出头。除此以外，还有许多其 他磁光器件，如磁光旋转器、磁光滤波器、磁光可调激光器、电控数 字偏转阵列、电控 q开关、t b i g温度敏感器、光取数晶体管阵列 ( l a t r i x ) 、磁光光导元、磁光磁力仪以及各种磁光传感器等等。因 此制作各种磁光材料成为八十年代以来各国投入大量人力、物力和财 力研究的重点，尤其在磁光记录领域。 激光记录的研究工作开始于1 9 5 7 年，当时由w i l l i a ms 等人使用 蒸发的 m n b i薄膜作为记录材料，用一只加热笔进行写入实验，通过 磁光效应来观察磁畴的写过程。此次实验莫定了磁光记录的基础，但 由于相关技术 ( 如激光技术，精密加技术，信号处理技术等) 研究跟 不上，使得磁光技术在此期间发展缓慢. 到了七十年代，由于发现 t b , g d , d y等稀土金属具有极大的单轴 各向 异性能 ( k . ) ，如果研制磁光薄膜， 将在垂直于膜面具有极大的单 轴各向异性，便于形成垂直于膜面的记录柱畴，这就为磁光记录及磁 光盘技术奠定了 基础。 此时研究的主要磁光材料由g d f e , t b f e 和d y f e 一i一 电子科技大学博士论文 . 砚 口 口. . 巴口 口目 . . 等二元材料发展到主要以g d t b f e 和t b f e c 。 为主的 三元磁光材料，并 己获得实验室样品。 到了八十年代，第一代实用磁光盘 1 x盘问世，其性能指标为:容 量 6 5 0 m b ( 1 3 0 m m , 1 0 2 4 b y t e / 扇)和 1 2 8 m b ( 8 6 m m , 1 0 2 4 6 y t e / 扇) ，平均 存取时间1 5 0 m s ， 数据传输率为0 . 1 5 m b / s ; 经过4 5 年的开发研究， 1 9 9 3 年，第二代磁光盘 2 x盘相继在国际上商品化，其技术方案采用了所 谓的 惬域角速度 ( z c a v )法” ，使得磁光盘的容量增加了一倍，对于 8 6 m m的磁光盘，其容量可达 2 3 0 m b ，平均存取时间缩短为 4 0 m s , 数据 传输率为2 m b / s a 下一代磁光存储系统的主要目 标是适用于 2 0 0 0 年以后的计算机外 存，界时磁光存储系统的容量将达到几个 g b的水平，并且以 3 . 5英 寸为主，该容量是目 前磁光盘容量的4 1 0 倍， 数据速率达到数m b / s e 要达到这个目 标需要采用一系列新技术， 如短波长激光器， 轻型光头， 直接重写技术，区 域比 特记录，台上和槽内同时记录，窄节距光道， 更先进的编码技术，新的记录材料以 及新介质结构技术等。 其根本的 目 标是要提高存储容量和数据速率， 从目 前的研究来看， 提高数据传 输率主要是采用直 接重写技术， 提高 存储容量主 要集中 在 m s r( 磁超 分辨)和n f r( 近场记录)技术上。 但磁光盘及其驱动 器要取得与磁盘驱动器同 等的 地位， 成为存储 器市 场的 主 导 产品 ， 在 未 来技术 发 展中 必 须围 绕 减少存 取时间， 提高 存储密度和数据传输率， 降低价格等方面作重大改 进， 提高 光盘容量 即存储密度无非从两个方面入手: 第一， 提高 道密度; 第二，提高位 密度。 而道密度和位密度的提高均取决于记录点的缩小. 光记录用受 2 . 一 一盗翌盆愁 富 彗 1一 一一 曰 光 衍 射 极 限 限 制的 聚 集 点 来 记 录 信 息 ， 光 点 的 直 径d = o . 6 x / n a与 激 光 波 长x 成 正比 ， 与 物 镜 的 数 值n a 孔 径 成 反 比 。 从 提 高 记 录 密 度 的 角 度 来 说 ， d 值 越 小 越 好。 因 此 可 通 过 开 发 大 功 率 ， 短 波 长 ， 低 噪 音 的 半 导 体 激 光二 极管 和 相 应的 记 录 材 料以 及大 孔 径的 物 镜 ， 使 得 光 点直径减小。 9 1 . 2 磁光记录介 质的 历 史、 现状与未 来 磁光记录集光记录和磁记录于一 体z 1 ， 具有很高的 存储密度和反 复擦写功能( 1 o 6 ) ， 使它成为未来信息记录的 佼佼者。 虽然磁光记 录 材料的 潜力在3 0 多 年前 被人们认识3 1 ， 但当 时 并没 有找到 合适的 材 料予以 实现， 从那时 起人们对 优化现有材料和搜寻新材 料作了 大量工 作一 0 1 . 1 9 7 3 年， g h a u d h a r i 等 人s 发 现7 g d c o 具 有 垂 直 膜面的 磁 各 向 异性， 而且可作为磁光记录介质。 这就为磁光材料的 研究莫定了 基 础。二十多年来，新型磁光材料经过了新旧更替，现今 r e - t m材料的 磁光盘以 投入市场 6 , o b i 替 d y i g磁光膜7 , 8 , s , 10 1 ， p t / c o多 层调制膜 ll， 2， 3 作为新一代磁光盘材料正 在研究和开拓中，日 本已 研制成功纳 米晶b i 替d y i g 磁光膜1 3 0 m m 磁光盘的实验室样品a 1 . 使纳米晶b i 替 d y i g 磁光膜成为下一代磁光盘的首选材料。 作为实用的磁光记录介质必须具备以下条件 具 有 垂 直 膜 面 的 磁 各 向 异 性 ， 且凡 27m,; 具 有矩形磁滞回 线( 从 / 城 兰 1 ) 和高的 室温 矫 顽力 高的磁光记录灵敏度 ( 降低激光记录功率) 大 的 磁 光 效 应( 大 的 克 尔 角 b k 或 大的 法 拉 第 角 o f ) 低的磁盘写入噪音 ( 没有或小的晶粒) 一3 一 一， 电子科技大学博士论文 足够高的读写循环次数 ( l o b 次) 良好的抗氧化特性，耐腐蚀性及长期稳定性 . 居里温度在4 0 0 k - 6 0 0 k 之间，补偿温度在室温左右。 就目 前研究的材料，部分满足上述条件的可分为三大类: 一 稀土一 过渡金属材料 ( r e - t m ) 非晶态r e - t m合金膜采用蒸镀法和溅射法制备 1 4 最先由 二极溅 射法淀积 15 - 18 1 ， 之 后用电 子枪蒸发 19 - 2 11 。 近来， 用磁控溅射 法制备和 多枪蒸镀法制备2 2 1 ，同时还采用淀积率更高的 面靶溅射2 3 . 2 4 1 。 这些 方法都存在着靶和膜成份差异，靶材效率低 ( 由于靶面非均匀蚀痕轮 廓)和膜厚不均匀性等问题。同时膜的稳定性和各向异性与淀积参数 密切相关，衬底偏压的采用也会对磁光膜以及介质匹配膜的性能和结 构产生影响。 r e - t m 非 晶 膜 的r e 和t m 原 子 磁 矩 反 平 行 排 列 12 8 , 2 9 1 。 饱 和 磁 矩m , ， 居 里 温 度t 和 补 偿 点 温 度 t - 11 强 烈 地 依 赖 于 膜 成 份 含 量 3042 。 而 k . 则强烈地依赖于淀积参数 5 3 4 5 。 单轴各向异性来源于自 旋一 轨道祸合 和磁偶极间 相互作用机理4 6 - 4 7 1 . r e - t m合金的磁 光效应来源于 稀土 原 子d - f 交 换 和过 渡 金 属 原子 的d - d 交 换4 8 - 50 1 。 对t b f e c 。 材料 来 说， 伏= 0 . 1 一 0 .4 之间， 为了 增大氏， 不少 学 者 通 过改 变成 份来 达到 这 一 目 的 5 1, 5 3 1 。 然 而 这 种 努 力 达 到 的 极 限 是氏 6 8 0 n m记录技术的要求，这种波长下的盘记录容量 可达 5 . 2 g b .当光盘的记录容量进一步提高时，必须采用更短波长的 激光源系统，例如:a = 4 1 0 n m，然而遗憾的是现有 r e - t m薄膜几乎 对这种蓝绿光波长无响应，因而必须对4 0 0 n m以 下波长使用的 r e - t m 6 电子科技大学博士论文 里 .旦旦，.口.，.里 薄 膜的 合 金成 份作 择 优 选 择。 采 用轻 稀土 原 子 被 认为 是提高 短 波长 下 磁光效应的 方 法之一， 在 超短 波长下， 轻稀 土原 子可使记 录介质的k e r r 旋转角增大到0 .6 5 0 . 3 .为实现高密度存储控制磁光记录的噪声源。 控制磁光记录的噪 声源的 核心问 题是 搞清介质噪声的 来 源并使其 减到最小。 介质的 噪 声来源有二: 一是写入噪声， 二是回 读噪声。 写 入磁畴的不规则将产生写入噪声，即 使在写入激光脉冲控制很好的情 况下，磁畴形状仍有亚微米的不规则，其原因是 r e - t m薄膜的微观磁 性如畴壁移动、磁畴各向异性和薄膜缺陷的变化，即薄膜的不均匀。 为了减少这些影响，需要改变薄膜的淀积工艺和薄膜成份。介质的读 出噪声主要来自 聚碳酸酷衬底的双折射、跟踪槽纹的不规则性、薄膜 反射率变化和薄膜 k e r r效应不同等因素。目 前在磁光薄膜技术中正 在研究使这些回读噪声减小的薄膜成份与工艺。 4 . 为了提高磁光记录的读写速度，采用直接重写技术 ( d o w ) . d o w磁光介质允许激光束作单道写入 ( 而不是现在的先擦后写的 双道写入) ，因而可使读写速度提高一倍。正在研究的直接重写介质 有两种:第一种是普通的 m o介质，但光盘的反面镀膜，可使小磁头 与 m o膜接触或在膜面上飞行，由于磁头很小，其磁场能以记录数据 的速度接通和关断。该技术适应于 3 . 5英寸和 2 . 5英寸的单面盘。第 二种是采用交互祸合介质，即双层介质。这种介质与磁超分辨相似， 即光盘中 有一个额外的 m o层， 其中一层起存储作用 ( 存储数据) ，另 一层起磁力重新设置作用 ( 称偏置层) ，磁场无需开和关。交互祸合 直接重写 m o介质激光源以三种功率电平读写，即低功率用于数据读 一7一 一 一一一一一一一一一一-一 电 子科 技大学瘫士论文 一，一.里 旦 级 ， . . . 里 里 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， 出，中 功率用于写 入数据 “ 。 ” ，高 功率用于写入数 据 “ l。由 于存 储 层的 矫玩力 ( 与温度有关)与偏置层不同， 这种激光功率电 平变化可 直接写入m o 数据。 交互祸合直接重写介质的 优点适用于5 . 2 5 英寸以 上尺寸的双面盘。 5 .采用磁超分辨技术 磁超分辨 ( m s r ) 提高了读出m o信号的分辨本领，为了实现高密 度记录，记录更小的标记且精确控制其边缘，在读出时克服标记边缘 的 漂移，磁超分辨是当今最有效最成功的一种技术，显著地改替了m o 介质读出分辨能力.光盘结构是在标准的m o层上加了额外的m o读出 层。在读出信号时该层产生掩膜，从而有效地减小读出光点的探测孔 径。这种掩膜大大降低相邻标记及相邻信道之间的干扰，这正是当今 研究最多的一种方式。 总之，r e - t m非晶稀土过渡金属膜制备的盘已处于生产阶段，然 而由于其磁光效应较弱，化学性质不稳定，t b价格高，以及近紫外磁 光效应差等不足。使人们开始了下一代材料的研究和探索。 二.氧化物材料和 m n b i 系材料 氧化物材料和 m n b i相当多的材料有较大的磁光效应。如: m n b i 一 ， , m n a l g e , m n g a g e , p t m n s b 17 9 -8 1) ， c o f e 2 0 , 3 , b a ( f e , c o , t i ) 12 0 19 8 3 和 ( c e , b i , d y ) 3 ( f e , a l , g o 5 0 12 e 9 0 7 。 其中b i , g a 代d y i g , b i , a l 代d y i g , c e , g a 代d y i g , p t m n s b 和m n b i a l , m n b i a l d y 5 . b 将有希望成为新一代磁光材料。 b i , a l 代d y i g 石榴石膜采用r f 溅射法和热分解法制备。b i , a l 代 d y i g膜在结构上属于立方晶系，它的 饱和磁矩城 由 三个次晶 格的 一8一 电子 科技大学博士论文 磁 矩 来 决 定 . 故b i , a 1 的 替 代 量 将 影 响 膜 的 m s , t , t . p 和k。 由 于 石榴石膜大的法拉第效应，强的抗腐蚀性和近紫外磁光增强效应，以 它为介质的盘 ( 加 a l , c r , c u , t i反射吸热层)便具备优良的稳定 性.b i替石榴石单晶和多晶膜适合于近紫外和蓝绿波段应用，具有抗 毁伤功能，是 “ 国防”用的唯一的磁光材料。 与 m n b i系磁光介质相似，b i代石榴石磁光介质的主要不足是淀 积到诸如玻璃之类的衬底上经退火后形成多晶结构，因而产生较大的 晶界噪音。原因是畴形在晶界处改变和晶粒边界的光散射.解决这些 不足的途径是 1 )在单晶礼嫁石榴石衬底 ( g g g )上溅射淀积膜，衬底 加温或淀积后退火使膜形成沿衬底取向的柱状结构，2 )减小晶粒尺 寸使噪音电平降至最小程度。由于 g g g衬底较贵，大尺寸制备难， 所 以前种方法不可取。 三. p t / c o 多层调制膜 多 层p t / c o , p d / c o ( 6 9 1 等磁光记录介 质是 有生 命力的 磁光 记录材料 ( s 3 - 10 0 1 。 在这种介质中， c o 提供磁 性和磁光效 应， p t 和c o 层之间的 界 面效应来提供单轴各向异性。由 于界面间各向异性伸缩距离较短， c o 层必须很薄才行，c o厚度大约在 3 . 6 a - 5 a之间，p t层厚度约为 1 0 a - 2 0 a之间， p t / c o 多层调制膜采用电子枪蒸镀法或d c 磁控溅射法. 要求厚度控制极精确。根据对 p t / c o膜磁光性能测试表明，磁光参数 与溅射气体种类有关， 也与膜层周期数和各层膜厚度有关。 这种材料 在近紫外波长有较优的磁光效应。 c n r接近 r e - t m 。但比后者更耐腐 蚀。 p t / c 。多层膜具有较好的短波长磁光特性和化学稳定性，但有高 一， 一 电子科技大学博士论文 的居里温度 效应也不如 较大的吸收系数， 不适合于多层膜应用， 短波长的磁光 综上所述， 替石榴石薄膜。 作为下一代新材料， 最具有希望的是b i 替d y i g 石榴 石薄膜，日 本人己 制成 1 3 0 m m 纳米晶b i 替d y i g 石榴石薄膜的实验室 样品t ; ， 制备的 样品为双层膜， 晶 粒尺寸下层为5 0 0 - 1 0 0 0 n m ， 上层( 记 录层)为5 0 - 1 0 0 n m ，波长为4 8 8 n m时，记录点长度为0 . 4 7 u m ， 载噪比 c / n = 4 2 d b ， 并在此盘上成功使记录点缩小到了0 . 3 8 u m o 肚 . 3 b i 替 石 榴 石 磁 光 薄 膜 发 展 概 况 2 4 年 前c h a m p i o n u o u 发 现了b i 替 石 榴 石 膜 具 有 较 大的 法 拉 第 效 应， 但作为 实 用磁光记录材料则 是8 0 年代以 后。 p . h a n s e n 1 0 2 1 在1 9 8 1 年研究t g a , a l , s c , c a v b i i g , g a / g e , g a / t i 对y i g 石榴石的替代 问题，以及替代对磁光性能的影响，发现 g a , a l替代八面体和四面 体 位的f e 离 子 可降 低居 里 温 度 和 减小m , 。 他的 工 作为 替 代 研究 奠 定 了理论基础。1 9 8 3 年，p . h a n s e n 10 3 3 又研究7 b i 替y i g 石榴石的 性能 以 及d y , f e s0 12 石 榴 石 磁光 性能 ， 发 现d y i g 石 榴石 磁光 增 强 在 波 长5 4 0 n m 左右. 这是今天b i 替d y i g 石榴石膜的初期 研究工作。 从 1 9 8 6年一 1 9 8 8年， m . g o m i 1 8 6 , 8 7 , 1 0 4 - 10 5 3 进行t 大 ja的 研究t 作， 他 在玻 璃 衬 底 上 用 溅射 法和 热 分 解 法 对b i 替y i g 膜 ， b i 替d y i g 膜 作 7研究。对 b i替 y i g膜，当在 5 5 0 c以 下退火出现非晶相。b i , g a 替 d y i g膜，当b i 含f 2 .7 原子/ 每分子，在 6 6 0 0 c以 上退火时可能 出现非石榴石相，5 5 0 0 c以下时是非晶相，对热分解法制备的 b i , a 1 替d y i g膜，当b i 含里 2 .0 原子/ 每分子时，在6 3 0 上退火时，出 现b i f e o ， 相， 随b i 含童 增大，从下降， 晶 格 常 数 增 加. 在上 述 研 究 1 0一 . . - -召盆竺姿备- 基 础 上 ， 1 9 8 8 年 他 用 在 纯a r 气 中 溅 射 和 加w , c o 来 改 普 多 晶 膜 的 光 学 均 匀 性 ， 研 究 表 明 加 少 aw 可 增 大 矫 顽 力( 1 . 2 a t % ) ， 在 纯a r 气 中 溅射可使氧缺陷 均匀 分布在晶 界和晶 粒中(1 0 4 1 最令人鼓舞的 是从 1 9 8 91 9 9 1 年间的b i 替石榴石 研究进展 ( 10 6 - 110 . 1 9 8 9 年 ， 日 本 学 者h . k a n o ( u 等 人 研 制 出 了 在“ g 衬 底 上 的 b i 替d y i g 磁 光 盘 ， 载 噪 比c n r 可 达6 0 d b ( 带 宽3 0 k h z , 2 3 m w ) ， 但 盘 尺 寸 很 小， 这是由 于盘基单晶“ g不能 做得很大， 且 很昂 贵. g o m i , m i c h a e l a l e x ( 1 12 - 1 13 等 人 在1 9 9 0 年 研 制 出 新 型c e , g a 替d y i g 石 榴 石 盘 ， 研 究 7 淀积过程背底压强 对补偿温度的 影响， 并 用分 子场理论予以 解释， 以 c e 离 子 替 代r i g 石 榴 石 ， 其 法 拉 第 旋 转 是b i 离 子替 代的5 倍( 在 a = 7 8 0 n m ) ， 然而法拉第回线矩形度差. 在上述基础上制成的 c e , g a 替d y i g磁光盘， 信噪比 达4 7 d b ， 这仍需 进一步 提高， 信噪比 低的 原 因是多晶晶粒带来的噪音。 1 9 9 3 年， t . s u z u k i 等人 1 14 - 1 1 5 用快 速升温退火 法处理b i , g a 替 d y i g石榴石膜， 认为 在 6 2 0 0 c 6 8 0 0 c之间退火时，晶 体生长属于扩散 生长。 升温速度5 0 0 c / s 下 可使晶 粒细化到4 0 n m 左 右， 我 们采用了 快 速循环晶化法处理 b i , a l替 d y i g石榴石膜使晶粒尺寸减小到 4 0 n m - 3 2 n m ，同 时 采 用掺r b 的 方 法使晶 粒细 化到5 0 n m ， 并使膜表 面形 貌改良 。 b . b e c h e v e t 等人 ， 采用面靶溅射c e 替d y i g 膜作快速 退火 处理， 膜单轴各向异性较差， 有待于进一步研究。 1 9 9 6 年， k . s h i m o k a w a w 等人 用对成 功地 用r f 磁控溅 射法制 成了 应用波长为4 8 8 n m的1 3 0 m m b i 替纳米晶d y i g 石榴石磁光盘的实验室 样品，但载噪比仅为4 2 d b ，离实用化还有一定的差距。 一n 一 电子科技大学博士论文 . . 口 . . . . . . 日 . . . . . . b i , a 1 替d y i g 作为新一代磁光材料，其优点及存在的问题是: 具有较大的 磁光jo强 效应:r e - t m合金膜磁光克 尔角0 , ，故 m 2 c 万 田 e ry ( 3 一 3 ) - c .y2 6 1 一一一- 马吟 r口ijes 在公式中，n , k 是理想 b i , d y i g薄膜材料的折射率和消光系数; e r , e . 。 是介电张量非对角元的实 部和虚部;a 1 , c 是角频率和光速。 从 ( 3 - 3 ) 式知，磁光效应完全是由 介电张量非对角元的实部和 虚 部 决 定 而 张 量 非 对 角 元 又 由 基 态 s 和 激 发 态 卜 之 间 发 生 的 电 子跃迁来决定. 如果只考虑l - s 相互作用， 电子跃迁模型如图3 . 1 . w x g i c 0 1 2 1 o i l 9 图3 . 1三能级电 子跃迁能级图 电子科技大学博士学位论文 = a o yn i y- w g (1 ) n i (1 ) 一 f ( 1 )1 = 一 .1 e 1 q 二 ( 1 ) = 。 一 j t ( 1 ) 。 二 ( 1 ) 。 聂 ( 11 ) 0 x 9 ) 一 。 ， + r g + 2 j ril r ., ( 1 ) ( 3 一 4 ) 式 中 。 为 入 射 光 频 率 ; h w g (1 ) 为 第 1 次 晶 格 的 卜 与 8 之 间 的 能 量 间 隔 : 乓( 1 ) 为 线 宽 ; 叽( 1 ) 为 基 态s 上 的 电 子 占 有 率 ; n ， 为 单 位 体 积内 的 吸 收 中 心 数 ;瑞( 1 ) 是 右、 左圆 偏 振 光 激 发的 第1 次晶 格 位 中 的 原 子 的 电 子 从 !9 到 卜 态 的 跃 迁 几 率 ; a o 为 与 电 子 质 量 ， 折射率有关的常数. _w _ ( 1 ) ( 0) e ( 1 ) 一 。 z 一 r ; ( 1 ) 1 e =a )n )0 11- ( 1 ) 一 1 ( o 1 : 一.j十，二下二 下 书二 弓 下 万 下 二 “ y 一 ， l r l ri s 9 。 二 ( 1 ) l j -9 一 “ xg “ w 2, ( 1 ) 一 。 + 吸( 1 ) 1 + 4 t o r 8 ( 1 ) ( 3 - 5 ) 、 一 、 e n ie w g(1)r g(1)r (1i i9 co xg(1) ，一 “ (1)1 k( i ) 一 。 ， + 飞( 1 ) 瞬( i ) 一 。 ， + x 8 ( 1 ) ) 2 + 4 9 f ,2 ( 1 ) ( 3 一 6 ) 膜中第1 次晶格上原子的能级分裂如上图所示. 激发态能级分裂由l - s( 轨道和自 旋) 相互作用导致， 其大小为: a e = t h e= a 恤1， 一 o i l ) 晰 “ co x g 一 c0 i x = c o = a + a ( 3 一 7 ) ( 3 一 8 ) 电子科技大学博士论文 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .口 . . . . . . . . 若设使电 子从 基态跃 迁到激发 态“ 上” 能级为 左旋光， “ 下” 为 右旋 光，则各能级对应跃迁几率为: f . = a l , .f f 2 =f o - ， f i i =0 =0 ( 3 一9 ) 故 一 补靶a (1, x, g ) = 一 器 b o_ n ,b (1，二 ，: ) ( 3 一 1 0 ) 成 ， 风 为 常 数 ， 考 虑 到 o +m xg ( 1 ) ， 则 口r / f ， ，广 _，广 + 、， ，、 h llix .g ， 一 。 8 f(0 8 一 。 2 + r g )2 + 4 . 2r .2, l g j 一 “ g j ll )co sg koj g 一 一 “ ) 一 ( 叽 人 t ) ( 。 f gw g f u ) ( o j 2 + 。 ， + r g ) e ( 3 一1 1 ) 。 (，二 ，: ) = 一一一 r , -97 !,7 . 1 : 1. .1 , 叽 l l w x- g 一 u r+ 1 居 )