Inovações em óptica: O papel das bolas de granada GGG, SGGG e NGG

1 Prefácio

A construção em grande escala de redes 5G está trazendo novas oportunidades para o mercado de comunicações por fibra óptica. A fibra óptica é o único material que oferece as altas taxas de transmissão de dados necessárias. Embora a demanda por fibra óptica esteja aumentando devido às redes 5G, a demanda por isoladores de fibra óptica também está em alta. Os isoladores de fibra óptica são usados em combinação com amplificadores de fibra dopada com isca para aumentar o ganho máximo e reduzir o índice de ruído. No rápido desenvolvimento da comunicação por fibra óptica com multiplexação densa por divisão de comprimento de onda (DWDM), os sistemas de alta velocidade e alta capacidade desempenham um papel significativo. Os isoladores ópticos são especialmente importantes nesse contexto.

O Gadolinium Gallium Garnet (GGG), o Scandium Gadolinium Gallium Garnet (SGGG) e o Neodymium Gallium Garnet (NGG) são amplamente usados em vários dispositivos magneto-ópticos devido às suas excelentes propriedades magneto-ópticas e se tornaram uma estrela em ascensão no campo dos materiais ópticos.

Figura 1 Fibra óptica

2 GGG

2.1 Introdução

A granada de gadolínio e gálio (GGG, fórmula Gd3Ga5O12) é um material cristalino sintético semelhante à granada, geralmente incolor. Ele tem uma estrutura cristalina cúbica, uma densidade de 7,08 g/cm3 e uma dureza Mohs de 6,5 e 7,5. Como uma importante matéria-prima para dispositivos ópticos, o GGG tem algumas propriedades exclusivas. Ele tem um índice de refração relativamente alto. Ao mesmo tempo, tem boa transparência na faixa espectral visível. Isso permite a passagem da luz e a manutenção de suas propriedades ópticas originais. É ideal para a preparação de dispositivos ópticos, como lentes de alto índice de refração, componentes ópticos e dispositivos a laser. Ele também apresenta vários efeitos ópticos não lineares, como o efeito Kerr óptico e o efeito de autofocalização. O GGG tem uma condutividade térmica relativamente baixa, e sua excelente dissipação de calor o torna ideal para uso em dispositivos ópticos e substratos. Mais importante ainda, o GGG tem excelentes propriedades magneto-ópticas, que são caracterizadas pelo efeito de spin de Faraday. Essa propriedade levou a uma ampla gama de aplicações em dispositivos magneto-ópticos, como dispositivos de armazenamento magneto-óptico e defletores magneto-ópticos.

Figura 2 Cristais GGG em flocos

2.2 Caracteres

Transistores e circuitos integrados são fabricados na superfície de uma folha semicondutora, que, nesse caso, é o substrato (chip). O substrato semicondutor desempenha um papel não apenas nas propriedades elétricas, mas também no suporte mecânico.

Como material de substrato, o GGG tem características que são muito adequadas para materiais de substrato:

1. Correspondência estrutural entre o substrato e o filme epitaxial: Os materiais epitaxiais e os materiais de substrato têm a mesma estrutura cristalina ou similar, pequena incompatibilidade de constante de rede, boas propriedades cristalinas e baixa densidade de defeitos. A constante de rede e o coeficiente de expansão térmica dos monocristais de GGG são compatíveis com o YIG. Portanto, o monocristal de GGG é considerado um material de substrato adequado para filmes epitaxiais magneto-ópticos do tipo YIG e YIG. Esses materiais YIG e semelhantes a YIG têm uma ampla gama de aplicações no campo de isoladores ópticos, guias de ondas ópticas e óptica integrada.

2. Correspondência do coeficiente de expansão térmica entre o substrato e o filme epitaxial: A correspondência do coeficiente de expansão térmica é muito importante. A diferença entre o filme epitaxial e o material do substrato no coeficiente de expansão térmica é muito grande, o que pode não apenas diminuir a qualidade do filme epitaxial, mas também o processo de trabalho do dispositivo, devido ao calor causado pelos danos ao dispositivo.

3. A estabilidade química do substrato e do filme epitaxial é compatível: O material do substrato deve ter boa estabilidade química e proteger o filme epitaxial, mantendo sua estabilidade e a não decomposição durante o processamento.

4. A facilidade de preparação e o custo dos materiais: Para ser colocado em produção em massa, a preparação do material de substrato requer um processo simples e o menor custo possível.

Figura 3 Padrão XRD do GGG a 1000°C

2.3 Preparação

A grande maioria das memórias magnéticas de bolhas é preparada em substratos de granada de gálio e gadolínio (GGG). Esses substratos servem não apenas como portadores, mas também como núcleos para o crescimento epitaxial de camadas de armazenamento magnético. Qualquer defeito na estrutura do substrato será reproduzido na camada epitaxial, portanto, o substrato deve ser muito uniforme. Portanto, a tecnologia do processo de preparação do GGG em si deve ser muito perfeita para garantir sua qualidade. O método mais comum de preparação de GGGs é o método de tração, e dois dos aspectos mais importantes do processo de preparação de tração são o controle da temperatura e da taxa.

1. Controle de temperatura: O controle da temperatura da massa fundida é a chave para o processo de crescimento de cristais do método de tração. A distribuição de temperatura na massa fundida é necessária para manter a temperatura do ponto de fusão na interface sólido-líquido, para garantir que a massa fundida ao redor do cristal semente tenha um certo grau de sub-resfriamento e o restante da massa fundida permaneça superaquecido. Dessa forma, garante-se que a fusão não produza outros núcleos, átomos ou moléculas na interface, de acordo com a estrutura do cristal semente disposto em um único cristal. Para manter um certo grau de sub-resfriamento, a interface de crescimento deve se mover constantemente em direção a temperaturas mais baixas, longe da superfície isotérmica do ponto de solidificação, para que os cristais cresçam. Além disso, a temperatura da massa fundida é geralmente muito mais alta do que a temperatura ambiente, para manter a massa fundida em sua temperatura adequada, mas o aquecedor também deve ter um suprimento contínuo de calor.

2. Taxa de elevação: A taxa de elevação determina a taxa de crescimento e a qualidade do cristal. Com a velocidade de rotação adequada, a massa fundida pode produzir uma boa mistura e reduzir o gradiente de temperatura radial, para evitar que os componentes sejam resfriados em excesso. A taxa geral de elevação é de 6 a 15 mm por hora.

Além disso, devido ao crescimento do próprio material GGG, às vezes são produzidas partículas brancas embaçadas nos cristais, o que afeta o uso óptico. Os motivos técnicos relacionados e as opções de melhoria também estão sendo explorados.

Figura 4 Às vezes, aparecem manchas brancas embaçadas nos cristais de GGG

2.4 Aplicações (em refrigeração)

Os materiais magnéticos sofrem uma mudança na direção de seu momento magnético em um campo magnético aplicado. Esse processo é acompanhado por uma mudança na entropia magnética, ou seja, a mudança de entropia causada pela reorientação do momento magnético no campo magnético externo. A troca de calor ocorre quando os materiais magnéticos sofrem alterações na entropia magnética em um campo magnético. Ao projetar um sistema de refrigeração magnética, é possível resfriar um objeto enquanto absorve calor. No setor de refrigeração magnética, o GGG foi aplicado com sucesso na região de temperatura abaixo de 20K para o fluxo de He II do mercado, bem como para a refrigeração de pré-estágio de liquefação de hélio-nitrogênio.

Figura 5 Cristais colunares de GGG

3SGGG&NGG

3.1 SGGG

Os cristaisde Scandium Gadolinium Gallium Garnet (SGGG, fórmula Gd3Sc2Ga3O12) são cristais obtidos pela substituição de Sc3+ por parte de Ga3+ nos cristais GGG, que são semelhantes em estrutura e aparência e são produzidos pelo mesmo método. O GSGG tem algumas vantagens:

1. Semelhante ao GGG, os cristais GSGG sem núcleo de alta qualidade são fáceis de crescer e podem evitar os defeitos de impurezas e o estresse causado pelo crescimento de pequenas superfícies.

2. A granada contendo Sc tem maior condutividade térmica e propriedades físico-químicas estáveis, possui maior eficiência de dissipação de calor e evita efetivamente os problemas causados pelo superaquecimento da superfície.

Tabela 1 Comparação das propriedades de GGG e SGGG

3.2 NGG

Os cristaisde Neodymium Gallium Garnet (NGG) são cristais obtidos pela substituição do Nd3+ por parte do Ga3+ nos cristais GGG. Suas vantagens se refletem principalmente em:

1. O cristal é relativamente fácil de crescer, e a taxa de crescimento do cristal pode chegar a 5 mm/h.

2. O cristal pode ser cultivado em uma interface plana sem concentração de tensão e com poucas impurezas, o que facilita a preparação de lâminas de tamanho grande para aplicações de cristais de alta potência.

3. O Nd nos cristais de granada de ítrio e alumínio (YAG) tem um coeficiente de partição de 0,1-0,2, enquanto nos cristais de GGG o coeficiente de partição do Nd é maior, chegando a 0,52, o que favorece a preparação de cristais de laser dopados de alta concentração, aumentando assim a potência da bomba ^[1].

4. Em comparação com o vidro de neodímio do meio de ganho do laser, os cristais de Nd: GGG têm maior resistência mecânica e maior condutividade térmica, o que permite o resfriamento dos cristais em um tempo mais curto.

5. A substituição homomórfica de Nd3+ por Gd3+ evita efetivamente a fragmentação da luminescência no nível de energia superior do laser de Nd3+ ^[2].

6. A eficiência do laser dos cristais de Nd: GGG é duas vezes maior do que a do vidro de neodímio, um meio de ganho de laser de alta potência comumente usado, e pode ser usado como um meio de trabalho de laser em armas a laser estratégicas de curto alcance com uma potência de até 100 kW ^[3,4].

Tabela 2 Comparação das propriedades de GGG, SGGG e NGG

4 Conclusão

O GGG, o SGGG e o NGG são amplamente utilizados em tecnologia laser, dispositivos ópticos, aplicações magnéticas e outros campos de alta tecnologia devido às suas propriedades ópticas superiores. O GGG, como o material mais amplamente pesquisado e aplicado, tem sido usado em diversas aplicações nas áreas de cavidades de ressonância de laser, dispositivos magneto-ópticos, cristais de laser etc.; o SGGG e o NGG têm aspectos superiores em suas propriedades originais e aguardam a exploração de mais aplicações devido à dopagem de escândio e neodímio com dois tipos de elementos de terras raras. O SGGG e o NGG, devido à dopagem de dois elementos de terras raras, escândio e neodímio, têm aspectos superiores às propriedades originais do GGG e aguardam a exploração de mais aplicações.

Referências

[1]ZIMIK K，CHAUHANR R，KUMARR，eta1．Estudosobre o crescimento do cristalNd3+：Gd3Ga5O12(Nd： GGG) pela técnica czochralski sob diferentes taxas de fluxo de gás e usando diferentes tamanhos de cadinho para crescimento de interface plana [J]．Journalof CrystaIGrowth，2013，363(3)：76-79．