Substratos de cristal GGG vs. SGGG: Qual é a melhor opção para suas necessidades técnicas?
1 Introdução
OGadolínio Gálio Granada (GGG) e o Samário Gadolínio Gálio Granada (SGGG) são cristais com estrutura de granada, que têm propriedades ópticas exclusivas, como óptica não linear e propriedades magneto-ópticas, bem como propriedades magnéticas e térmicas. Isso faz com que sejam amplamente utilizados em optoeletrônica, sensores e magnetismo. De modo geral, devido à introdução do Sm3+, o SGGG possui propriedades ópticas, magnéticas, térmicas e elétricas mais intensas em comparação com o GGG, mas em termos de estabilidade e maturidade de desenvolvimento, o GGG ainda é o principal atualmente.
2 A estrutura cristalina do GGG e do SGGG
Os cristais de Gadolinium Gallium Garnet (GGG) pertencem ao sistema de cristal cúbico, um tipo de sistema de cristal isométrico. A constante de rede é de 12,383 Å e a célula da unidade cristalográfica consiste em 8 unidades moleculares químicas. Como um derivado do sistema de cristais de granada, sua estrutura cristalina é semelhante à da granada, com Gd2+ e Ga3+ ocupando as posições iônicas positivamente valentes, respectivamente, em conjunto com um orto-octaedro ou uma estrutura tetraédrica fornecida por [GaO4]4-. Semelhante à granada, o GGG geralmente tem um hábito de cristalização orto-dodecaédrico, e o icositetraedro deltoidal também está presente.
A Samário Gadolínio Gálio Granada (SGGG) é um cristal obtido pela substituição de uma porção de Ga3+ por Sm3+ dopado em GGG, que tem aparência e estrutura cristalina semelhantes às da GGG. O raio iônico do Sm3+ é maior em comparação com o Ga3+, o que faz com que a substituição do Ga3+ pelo Sm3+ na mesma posição leve a uma leve distorção da estrutura cristalina, o que causa uma pequena alteração na estrutura cristalina do SGGG, levando a uma diferença parcial nas propriedades.
3 Propriedades ópticas de GGG e SGGG e aplicações relacionadas
3.1 Propriedades ópticas não lineares
O GGG e o SGGG pertencem ao sistema cristalino cúbico, e suas estruturas cristalinas não têm simetria central; na estrutura não centrossimétrica, a simetria de inversão central é quebrada ao mesmo tempo, o que faz com que o GGG tenha efeitos não lineares de segunda ordem, como geração de segundo harmônico (SHG) e oscilação paramétrica óptica (OPO), etc. Assim, o GGG e o SGGG têm propriedades ópticas não lineares e aplicações importantes em lasers, bem como em comunicação e detecção.
3.1.1 Aplicações relacionadas às propriedades ópticas não lineares do GGG
Tecnologia de laser: O GGG pode ser usado para fabricar a Geração de Segundo Harmônico (SHG) e o Oscilador Paramétrico Óptico (OPO), que podem ser usados para gerar a duplicação da frequência de saída do laser, mistura de frequências e outros processos no processamento de laser, análise espectral, imagens biomédicas, etc.
Sistemas LIDAR: O GGG também pode ser usado para fabricar óptica não linear em sistemas LIDAR para modulação, fusão e detecção de feixes de laser. Os sistemas LIDAR são amplamente utilizados em sensoriamento remoto, exploração geológica, aeroespacial e outros campos.
Comunicação e sensoriamento óptico: O GGG pode ser usado para fabricar dispositivos como moduladores ópticos e interruptores ópticos, que são usados para modular e controlar a transmissão e o processamento de sinais ópticos para realizar a transmissão de sinais ópticos de alta eficiência e baixa perda. Ele também pode ser usado para fabricar sensores ópticos, que são usados para detectar parâmetros como a intensidade, a frequência e a fase dos sinais ópticos. Os sensores baseados em GGG são amplamente usados nas áreas de monitoramento ambiental, diagnóstico médico e controle industrial.
3.1.2 Propriedades ópticas não lineares aprimoradas do SGGG
Os cristais de SGGG são dopados com Sm3+ para substituir uma parte do Ga3+ nos cristais de GGG, resultando em uma ligeira alteração na estrutura do cristal, o que leva a certas alterações nas propriedades ópticas. A introdução do Sm3+ adiciona um mecanismo de polarização não linear, o que resulta em uma resposta óptica não linear aprimorada dos SGGGs, que apresentam coeficientes ópticos não lineares maiores em algumas aplicações ópticas não lineares, bem como uma maior eficiência de conversão.
Isso não significa que o SGGG possa superar e substituir completamente o GGG em aplicações de óptica não linear. Devido à introdução do Sm3+, ao mesmo tempo em que traz coeficientes ópticos não lineares mais altos, a mudança na estrutura do cristal faz com que a estabilidade do desempenho óptico do SGGG diminua ligeiramente. A mudança torna o SGGG mais sensível às condições ambientais nos cenários de aplicação, portanto, quando a demanda por estabilidade e consistência é alta, o SGGG ainda é superior ao SGGG. A GGG ainda é uma opção melhor do que a SGGG quando a demanda por estabilidade e consistência é alta.
3.2 Propriedades magneto-ópticas
O GGG e o SGGG têm propriedades magneto-ópticas. O efeito magneto-óptico é um fenômeno no qual as propriedades ópticas de um material são alteradas sob um campo magnético aplicado. Essa alteração pode se manifestar como uma mudança no estado de polarização, no índice de refração ou na absorção de luz, etc. O efeito magneto-óptico do GGG surge principalmente devido à interação de sua estrutura cristalina e íons internos, bem como à influência do campo magnético aplicado. Sob a ação de um campo magnético, o spin e o movimento orbital dos íons (geralmente íons de metais de transição) nos cristais magneto-ópticos mudam, levando a alterações nas propriedades ópticas. Sob um campo magnético aplicado, os spins dos íons nos cristais magneto-ópticos interagem com os fótons, resultando em uma rotação da direção de polarização da luz. Esse fenômeno também é conhecido como efeito Faraday.
3.2.1 Aplicações relacionadas ao efeito magneto-óptico
Armazenamento magneto-óptico: O efeito magneto-óptico do GGG é amplamente usado em dispositivos de armazenamento magneto-óptico. Ao utilizar o efeito magneto-óptico, é possível gravar, ler e apagar informações no meio. Os dispositivos de armazenamento magneto-óptico têm as vantagens de alta densidade de armazenamento, alta velocidade e estabilidade de longo prazo e, portanto, têm importantes perspectivas de aplicação no campo do armazenamento de dados.
Dispositivos ópticos para comunicação e detecção: O GGG e o SGGG também podem ser usados para fabricar dispositivos ópticos, como moduladores ópticos e interruptores ópticos. Esses dispositivos podem realizar a modulação e o controle de sinais ópticos, que são usados nas áreas de comunicação óptica, processamento de sinais ópticos e sensoriamento óptico. Usando o efeito magneto-óptico, a modulação e o controle de sinais ópticos em fibras ópticas podem ser obtidos para aplicações como detecção de campo magnético e geração de imagens de campo magnético. Os sensores de fibra óptica magneto-óptica têm as vantagens da alta sensibilidade, da velocidade de resposta rápida e da forte capacidade anti-interferência, por isso têm uma ampla gama de aplicações no campo de medição e geração de imagens de campos magnéticos.
Isoladores ópticos: O efeito magneto-óptico também pode ser usado para fabricar isoladores ópticos, que são usados para evitar a propagação reversa e a interferência de sinais ópticos. Os isoladores ópticos desempenham uma função importante na comunicação óptica e nos dispositivos ópticos para melhorar a estabilidade e o desempenho do sistema.
3.2.2 Efeitos aprimorados no SGGG
Em comparação com o GGG, o SGGG terá um efeito magneto-óptico mais óbvio devido à dopagem de Sm3+ e seus elétrons desemparelhados como um íon metálico de transição. E, ao mesmo tempo, a estabilidade e a aplicação correspondentes, os dois ainda têm seus pontos fortes e se complementam.
3.3 Resposta em terahertz
A resposta em terahertz refere-se à resposta de um material à banda terahertz (geralmente definida como uma onda eletromagnética localizada entre o infravermelho e o micro-ondas, com uma faixa de frequência de cerca de 0,1 THz a 10 THz). A banda terahertz tem muitas propriedades especiais, incluindo alta penetração, não ionização e propriedades de absorção exclusivas para tecidos biológicos e muitos materiais, etc. A resposta magneto-óptica do GGG e do SGGG na faixa de frequência de 30 G Hz a 1 T Hz, bem como o tensor de resposta do material, foram investigados por Mohsen Sabbaghi et al. Nessa faixa espectral, os materiais demonstram características não dispersivas e atenuação mínima do sinal óptico. Notavelmente, em condições de baixa temperatura, são observadas rotações de Faraday terahertz pronunciadas nos espécimes (S)GGG. Esse comportamento giroelétrico notável provavelmente está ligado ao estado paramagnético de spin elevado exibido pelos íons Gd3+ na estrutura do material.
3.4 Fotoluminescência
A análise comparativa dos espectros de EPR, absorção óptica (OA) e luminescência dos monocristais de GGG foi estudada por N. Mironova-Ulmane et al. Nos cristais irradiados com fluxo máximo de nêutrons, os espectros de EPR mostraram vários defeitos paramagnéticos. No GGG não irradiado, a fotoluminescência é marcada por impurezas não regulamentadas. No entanto, após a irradiação de nêutrons do GGG, surge um amplo espectro de luminescência assimétrica, com um pico notável que varia de 725 a 733 nm. Esse pico se intensifica proporcionalmente com a fluência da irradiação. Portanto, essa banda espectral é provavelmente atribuída ao surgimento de defeitos induzidos por radiação no material.
A tecnologia de fotoluminescência tem uma ampla gama de aplicações em análises biológicas e químicas (rotulagem fluorescente, espectroscopia de fluorescência etc.) e sensores ópticos, além de uma ampla gama de dispositivos luminescentes, como dispositivos fluorescentes, iluminação LED etc. A pesquisa sobre as propriedades relevantes do GGG levou à possibilidade de um certo desenvolvimento de suas áreas de aplicação no futuro.
4 Propriedades magnéticas do GGG e do SGGG e aplicações relacionadas
Como mencionado anteriormente, o GGG e o SGGG têm propriedades magneto-ópticas, e o surgimento de propriedades magneto-ópticas baseia-se na magnetização de substâncias em um campo magnético e na mudança resultante nas propriedades ópticas. Portanto, a propriedade de magnetização do GGG e do SGGG também é uma base importante para sua ampla aplicação. O GGG e o SGGG exibem ferromagnetismo devido ao momento magnético do Gd3+, que manifesta o fenômeno da magnetização, bem como o efeito magneto-óptico sob um campo magnético aplicado.
Como os elétrons na camada mais externa do Gd3+ são principalmente elétrons 4f, esses elétrons têm vários elétrons de spin não pareados em seus orbitais atômicos, resultando em átomos de gadolínio com alto momento angular de spin. Esses elétrons de spin não pareados dão aos átomos de gadolínio um grande momento magnético espontâneo à temperatura ambiente, exibindo assim um magnetismo pronunciado. A estrutura cristalina do GGG e do SGGG é um sistema cristalino cúbico, que pertence ao cristal hexagonal. Nessa estrutura cristalina, a direção do spin do Gd3+ é ordenada dentro do cristal, resultando na formação de domínios magnéticos. Esse arranjo ordenado contribui para a formação de propriedades magnéticas observáveis macroscopicamente.
Em termos de aplicações, o crescimento de filmes de granada ferromagnética em substratos GGG pode ser usado para fabricar dispositivos magneto-ópticos e memórias magnéticas de domínio de bolhas. O crescimento de semicondutores compostos III-V em substratos de GGG pode ser usado para sistemas de comunicação óptica, como isoladores magneto-ópticos integrados e diodos de laser; circuitos magneto-ópticos integrados com emissores, detectores, isoladores, circuladores, deslocadores mútuos sem interseção, moduladores etc.; gravações magnéticas com cabeças de leitura magnéticas integradas; e magnetometria, entre outros.
5 Propriedades térmicas de GGG e SGGG e aplicações relacionadas
Os cristais sintéticos estruturados com granada, além de sua utilidade estabelecida na eletrônica quântica, têm aplicações abrangentes em diversos domínios científicos e tecnológicos. A necessidade de examinar minuciosamente as características termofísicas das granadas decorre da função indispensável que elas desempenham na facilitação de cálculos precisos de engenharia, essenciais para o projeto e a otimização dos dispositivos associados. Sem uma compreensão abrangente dessas propriedades, a eficácia e a confiabilidade de tais dispositivos continuam sendo um desafio a ser verificado. D A Samoshkin e S V Stankus et al. investigaram dados experimentais novos e confiáveis sobre a capacidade térmica de NGG e GGG na faixa de temperatura de estado sólido de 300-975 K. Os resultados são comparados com os dados existentes na literatura sobre a capacidade térmica de NGG e GGG. Os resultados experimentais foram comparados com os dados existentes na literatura. Pela primeira vez, foram obtidos dados para o intervalo de temperatura de 700-975 K. Sob as mesmas condições, o coeficiente de capacidade térmica do GGG aumenta gradualmente com o aumento da temperatura, e a tendência de aumento diminui gradualmente, mostrando uma imagem cada vez mais suave.
6 Preparação do GGG e do SGGG
Na fabricação de cristais de GGG e SGGG usando o método Czochralski, o controle meticuloso da temperatura e da taxa de elevação é fundamental.
Controle de temperatura: O gerenciamento preciso da temperatura dentro da massa fundida é fundamental no processo Czochralski. Isso implica a manutenção de uma distribuição de temperatura que garanta o ponto de fusão na interface sólido-líquido e, ao mesmo tempo, crie um grau de sub-resfriamento em torno dos cristais de semente. Esse sub-resfriamento impede a formação de núcleos adicionais, facilitando o arranjo ordenado de átomos ou moléculas em uma única estrutura de cristal. A entrada contínua de calor do aquecedor é essencial para manter a fusão na temperatura necessária, geralmente muito mais alta do que as condições ambientais.
Taxa de elevação: A taxa na qual o cristal é levantado influencia profundamente sua taxa de crescimento e qualidade. A velocidade de rotação ideal promove uma mistura eficaz dentro da massa fundida, minimizando os gradientes radiais de temperatura e evitando o resfriamento excessivo dos componentes. Normalmente, uma taxa de elevação na faixa de 6 a 15 mm por hora é empregada para obter as características desejáveis de crescimento do cristal.
Os cristais de GSGG sem núcleo de alta qualidade são fáceis de crescer e podem evitar impurezas, tensões e outros defeitos causados pelo crescimento de pequenas superfícies.
Cristais únicos de GGG com menos de 5 defeitos/cm 2 causados por inclusões e deslocamentos de irídio foram obtidos por D. F. O'Kane et al. usando um sistema de televisão de crescimento de cristais Czochralski controlado por computador. A atmosfera de nitrogênio puro no extrator de cristais reduziu com sucesso as inclusões de irídio nos cristais extraídos. Durante o crescimento dos cristais, a alta taxa de rotação dos cristais e a lenta taxa de extração evitaram a formação de coringas; foi possível observar estrias nos cristais com essa alta taxa de rotação. Os deslocamentos são evitados pelo bom controle do diâmetro do cristal durante o crescimento. Um procedimento de gravação foi desenvolvido para revelar deslocamentos. Os parâmetros de rede do GGG não se alteraram durante as 26 horas necessárias para o crescimento. O excesso de Ga203 no fundido levou apenas a uma leve diminuição no parâmetro de rede, enquanto o excesso de Gd203 aumentou significativamente o parâmetro de rede.
7 Conclusão
A granada de gálio e gadolínio (GGG) e a granada de samário e gálio e gadolínio (SGGG) são materiais cristalinos conhecidos por sua estrutura de granada, caracterizada por notáveis propriedades ópticas, magnéticas e térmicas. Esses atributos exclusivos, incluindo efeitos ópticos não lineares e magneto-ópticos, tornam-nos indispensáveis em vários campos, como optoeletrônica, tecnologia de detecção e magnetismo. Embora tanto o GGG quanto o SGGG encontrem amplas aplicações, o SGGG, ampliado pela incorporação de samário (Sm3+), apresenta características ópticas, magnéticas, térmicas e elétricas aprimoradas. No entanto, apesar de suas propriedades superiores, o GGG continua sendo a escolha predominante devido à sua estabilidade estabelecida e maturidade no desenvolvimento dentro do cenário atual da ciência e engenharia de materiais.
Leitura relacionada:
Inovações em óptica: O papel das esferas de granada GGG, SGGG e NGG
Referência
[1]Mironova-Ulmane N ,Popov A ,Antuzevics A , et al. EPR e espectroscopia óptica de monocristais de Gd 3 Ga 5 O 12 irradiados com nêutrons [J]. Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, B,2020,480.
[2]Mohsen S ,W. G H ,Michael W , et al. Terahertz response of gadolinium gallium garnet (GGG) and gadolinium scandium gallium garnet (SGGG)[J]. Jornal de Física Aplicada, 2020, 127(2).
[3]Samoshkin A D ,A D S ,V S S . Capacidade térmica das granadas de neodímio e gadolínio-gálio [J]. Journal of Physics: Conference Series,2020,1677(1).
[4]O'Kane F D ,Sadagopan V ,Giess A E , et al. Crystal Growth and Characterization of Gadolinium Gallium Garnet[J]. Journal of The Electrochemical Society,2019,120(9).
