晶体生长使用的初始原料是纯度为99.999%的氧化物Gd₂O₃,Y₂O₃和99.99%的Sc₂O₃,Ga₂O₃, 按下列方程式进行反应:

0.63Gd₂O₃+2.37Y₂O₃+2Sc₂O₃+3Ga₂O₃=2Gd_0.63Y_2.37Sc₂Ga₃O₁₂(1)

称取原料750 g,其中Ga₂O₃过量2wt%以补偿晶体生长过程中的镓挥发, 将原料均匀混合并在1250 ℃烧结24 h得到GYSGG多晶, 装入 ϕ60 mm的铱坩埚中, 在JGD-60型上称重感应加热炉中, 用提拉法生长出了优质的GYSGG晶体, 尺寸为 ϕ32 mm× 60 mm, 如图1所示。将晶体在空气气氛下1500℃恒温72 h退火以消除应力,垂直于生长方向切割加工出端面为(111)面,尺寸为 ϕ30 mm×2 mm的样品,双面抛光。此外,还加工出了(110)和(100)两个方向的晶片。

图1

Fig. 1

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	图1 生长的GYSGG(Gd0.63Y2.37Sc2Ga3O12)晶体Fig. 1 As-grown GYSGG(Gd0.63Y2.37Sc2Ga3O12) crystal

在室温下使用PE lambda 950分光光度计测量晶体在250~3000 nm的透过光谱。在Philips χ’pert 型X射线衍射仪上获得粉末衍射(XRD)和摇摆曲线(XRC)数据。将双面抛光的GYSGG薄片用磷酸(85%,比重1.68)在150℃侵蚀20 min左右, 利用光学显微镜观察腐蚀坑形貌。常用的晶体基片主要有 (111)、(110)和(100) 三个结晶面, 因此实验分别测试了上述三个晶面的摇摆曲线和位错形貌。

2.1.1 晶格常数

图2是GYSGG晶体和含镓石榴石晶体的粉末X射线衍射曲线, 在GYSGG中标注了各衍射峰对应的衍射指数( hkl), 从图中可看出, GYSGG晶体与其它晶体的衍射峰位基本一致, 表明这种GSGG与YSGG的混晶GYSGG结构没有发生变化, 仍为石榴石立方晶系, 空间群 I_a3d, Z=8, Gd与Y混合占据氧十二面体的中心位置, Sc占据氧八面体的中心位置, Ga占据氧四面体的中心位置^{[ 9]}, 图3为GYSGG晶体结构示意图。表1是用图2中各晶体的粉末衍射数据计算得到的晶格常数。GYSGG晶体的晶格常数为1.2507 nm, 远大于GGG的1.2373 nm, 稍大于CaMgZr:GGG的1.2480 nm。经多次晶体生长实验证明, CaMgZr:GGG晶体在生长过程中很容易开裂, 而GYSGG一般不开裂, 并且很容易生长出高光学质量的晶体。GYSGG的晶格常数介于YSGG (1.2426 nm)与GSGG(1.2554 nm)之间, 可通过改变晶体中Gd与Y的比例, 获得应用中所需不同晶格常数的晶体基片,为晶格匹配提供保障。表1中还列出各晶体(444)晶面的衍射角, 从表中可看出, 晶格常数越大, 衍射角越小, 对应图中的衍射峰往左移动。

图2

Fig. 2

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	图2 GYSGG与含镓石榴石晶体的X射线粉末衍射图谱Fig. 2 X-ray powder diffractive patterns of GYSGG and other containing gallium garnet crystals

图3

Fig. 3

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	图3 GYSGG晶体结构示意图Fig. 3 Structure schematic of the GYSGG crystal

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 几种含镓石榴石晶体的晶格常数 Table 1 Lattice parameters of some containing gallium garnet crystals Crystal GGG YSGG CaMgZr:GGG GYSGG GSGG Lattice constant /nm 1.2373 1.2426 1.2480 1.2507 1.2554 (444) diffractive angle (2 θ) 51°7° 50º44° 50°43° 50°40° 50°22°

表1 几种含镓石榴石晶体的晶格常数 Table 1 Lattice parameters of some containing gallium garnet crystals

2.1.2 摇摆曲线

图4为GYSGG晶体三个不同结晶面的X射线摇摆曲线, 选用的晶体基片为通常使用的(111)、(110)和(100)三个结晶面。从图4可看出三条曲线均为单一衍射峰, 表明晶体为单晶, 没有孪晶成分; 另外, 衍射曲线形状较为对称,而且衍射强度半高宽仅分别为1.1’、0.8’和0.9’, 表明GYSGG晶体具有良好的结晶完整性, 适合用做磁泡衬底的晶体基片。

图4

Fig. 4

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	图4 GYSGG晶体三个不同结晶面的X射线摇摆曲线Fig. 4 Rocking curves of GYSGG crystal at three different crystalline faces

2.1.3 位错

图5是GYSGG晶体三个不同结晶面的位错腐蚀形貌,可以看出不同晶面位错腐蚀坑的大小和形状是不同的, (111)、(110)和(100)结晶面的位错形状分别为三角形漏斗状、菱形漏斗状和正方形漏斗状, 与Nd:GGG晶体的位错腐蚀坑形状相同^{[ 12]}。使用Crystlmaker 2.3软件可以得到从GYSGG晶体三个结晶方向观察的原子排列示意图, 如图6(a)、(b)和(c)所示。可以看出 (111)、(110)和(100)面位错腐蚀坑的形状与晶体结构对称性是一致的。多次重复实验表明, (111)和(110)的位错腐蚀坑很容易观察, 而(100)面的位错腐蚀坑不容易观察到。

图5

Fig. 5

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	图5 GYSGG晶体三个不同结晶面的位错腐蚀形貌Fig. 5 Dislocation etch pits of GYSGG crystal at three different crystalline faces

图6

Fig. 6

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	图6 GYSGG晶体沿不同结晶方向观察的原子分布示意图Fig. 6 Atomic arrangement schematics viewed at different crystalline directions for the GYSGG crystal

图7是GYSGG晶体在250~3000 nm波段内的透过率曲线。吸收系数 α与透过率 T的关系为:

(2)

d是晶体厚度, R是入射光垂直通过界面的反射率,

(3)

n为折射率。在晶体的透光波段, 吸收系数为 α=0, 公式(2)简化为:

(4)

由公式(3)和(4)可得到:

(5)

从图7可看到GYSGG晶体在300~3000 nm应为透光波段, 由此可以计算得到晶体在此波段的折射率, 如图7中的插图所示。通过折射率塞米尔方程（6）, 可以拟合得到塞米尔系数 A、B、C和 D, 如表2所示。

(6)

图7

Fig. 7

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	图7 GYSGG晶体的透过率曲线Fig. 7 Transmission spectrum of GYSGG crystal Inset is the refractive index curve of GYSGG crystal

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 GYSGG晶体的折射率塞米尔方程系数 Table 2 Sellmeier equation coefficients of refractive index of GYSGG crystal A B/μm2 C/μm2 D/μm2 3.49189 0.11634 0.07578 0.01498

表2 GYSGG晶体的折射率塞米尔方程系数 Table 2 Sellmeier equation coefficients of refractive index of GYSGG crystal