Sustratos de cristal GGG frente a SGGG: ¿Cuál es la mejor opción para sus necesidades tecnológicas?
1 Introducción
El granate degadolinio-galio (GGG) y el granate de samario-gadolinio-galio (SGGG) son cristales con estructura de granate que poseen propiedades ópticas únicas, como óptica no lineal y propiedades magneto-ópticas, así como propiedades magnéticas y térmicas. Esto hace que se utilicen ampliamente en optoelectrónica, sensores y magnetismo. En general, debido a la introducción de Sm3+, el SGGG posee propiedades ópticas, magnéticas, térmicas y eléctricas más intensas que el GGG, pero en términos de estabilidad y madurez de desarrollo, el GGG sigue siendo la corriente principal en la actualidad.
2 Estructura cristalina del GGG y el SGGG
Los cristales de granate de gadolinio y galio (GGG) pertenecen al sistema cristalino cúbico, un tipo de sistema cristalino isométrico. La constante de red es de 12,383 Å y la celda unitaria cristalográfica consta de 8 unidades moleculares químicas. Como derivado del sistema de cristales de granate, su estructura cristalina es similar a la del granate, con Gd2+ y Ga3+ ocupando las posiciones iónicas de valor positivo, respectivamente, junto con un orto-octaedro o un marco tetraédrico proporcionado por [GaO4]4-. Al igual que el granate, el GGG suele tener un hábito de cristalización orto-dodecaédrico, y también está presente el icositetraedro deltoidal.
El granate de samario, gadolinio y galio (SGGG) es un cristal obtenido mediante la sustitución de una parte de Ga3+ por Sm3+ dopado en GGG, que es similar en apariencia y estructura cristalina al GGG. El radio iónico de Sm3+ es mayor en comparación con el de Ga3+, lo que hace que la sustitución de Ga3+ por Sm3+ en la misma posición provoque una ligera distorsión de la estructura cristalina, y esto provoca un pequeño cambio en la estructura cristalina del SGGG, que da lugar a una diferencia parcial en las propiedades.
3 Propiedades ópticas del GGG y el SGGG y aplicaciones relacionadas
3.1 Propiedades ópticas no lineales
El GGG y el SGGG pertenecen al sistema cristalino cúbico, y sus estructuras cristalinas no tienen simetría central; en la estructura no centrosimétrica, la simetría de inversión central se rompe al mismo tiempo, lo que hace que el GGG tenga efectos no lineales de segundo orden, como la Generación de Segundo Armónico (SHG) y la Oscilación Óptica Paramétrica (OPO), etc. Así pues, el GGG y el SGGG tienen propiedades ópticas no lineales y aplicaciones importantes en láseres, así como en comunicación y detección.
3.1.1 Aplicaciones relacionadas con las propiedades ópticas no lineales del GGG
Tecnología láser: El GGG se puede utilizar para fabricar la Generación de Segundo Armónico (SHG) y el Oscilador Paramétrico Óptico (OPO), que se pueden utilizar para generar la duplicación de frecuencia de la salida láser, la mezcla de frecuencias y otros procesos en el procesamiento láser, el análisis espectral, las imágenes biomédicas, etc.
Sistemas LIDAR: El GGG también puede utilizarse para fabricar ópticas no lineales en sistemas LIDAR para la modulación, fusión y detección de haces láser. Los sistemas LIDAR se utilizan ampliamente en teledetección, exploración geológica, aeroespacial y otros campos.
Comunicación y detección ópticas: GGG puede utilizarse para fabricar dispositivos como moduladores ópticos e interruptores ópticos, que se utilizan para modular y controlar la transmisión y el procesamiento de señales ópticas para realizar una transmisión de señales ópticas de alta eficiencia y bajas pérdidas. También puede utilizarse para fabricar sensores ópticos, que se emplean para detectar parámetros como la intensidad, la frecuencia y la fase de las señales ópticas. Los sensores basados en GGG se utilizan ampliamente en los campos de la vigilancia medioambiental, el diagnóstico médico y el control industrial.
3.1.2 Propiedades ópticas no lineales mejoradas del SGGG
Los cristales SGGG se dopan con Sm3+ para sustituir una parte del Ga3+ de los cristales GGG, lo que da lugar a un ligero cambio en la estructura cristalina, que provoca ciertos cambios en las propiedades ópticas. La introducción de Sm3+ añade un mecanismo de polarización no lineal, lo que da lugar a una respuesta óptica no lineal mejorada de los SGGG, que presentan coeficientes ópticos no lineales mayores en algunas aplicaciones ópticas no lineales, así como una mayor eficiencia de conversión.
Esto no significa que los SGGG puedan superar y sustituir completamente a los GGG en aplicaciones de óptica no lineal. Debido a la introducción de Sm3+, aunque aporta coeficientes ópticos no lineales más elevados, el cambio de la estructura cristalina hace que la estabilidad del rendimiento óptico del SGGG disminuya ligeramente. El cambio hace que el SGGG sea más sensible a las condiciones ambientales en los escenarios de aplicación, por lo que cuando la demanda de estabilidad y consistencia es alta, el SGGG sigue siendo superior al SGGG. GGG sigue siendo mejor opción que SGGG cuando la demanda de estabilidad y consistencia es alta.
3.2 Propiedades magneto-ópticas
GGG y SGGG tienen propiedades magneto-ópticas. El efecto magneto-óptico es un fenómeno en el que las propiedades ópticas de un material se alteran bajo un campo magnético aplicado. Este cambio puede manifestarse como una modificación del estado de polarización, del índice de refracción o de la absorción de la luz, etc. El efecto magneto-óptico del GGG surge principalmente debido a la interacción de su estructura cristalina y los iones internos, así como a la influencia del campo magnético aplicado. Bajo la acción de un campo magnético, cambian el espín y el movimiento orbital de los iones (normalmente iones de metales de transición) en los cristales magneto-ópticos, lo que provoca cambios en las propiedades ópticas. Bajo un campo magnético aplicado, los espines de los iones de los cristales magneto-ópticos interactúan con los fotones, lo que da lugar a una rotación de la dirección de polarización de la luz. Este fenómeno también se conoce como efecto Faraday.
3.2.1 Aplicaciones relacionadas con el efecto magneto-óptico
Almacenamiento magneto-óptico: El efecto magneto-óptico de GGG se utiliza ampliamente en dispositivos de almacenamiento magneto-óptico. Utilizando el efecto magneto-óptico, es posible escribir, leer y borrar información en el medio. Los dispositivos de almacenamiento magneto-ópticos tienen las ventajas de una alta densidad de almacenamiento, alta velocidad y estabilidad a largo plazo, por lo que tienen importantes perspectivas de aplicación en el campo del almacenamiento de datos.
Dispositivos ópticos de comunicación y detección: Los GGG y SGGG también pueden utilizarse para fabricar dispositivos ópticos como moduladores ópticos e interruptores ópticos. Estos dispositivos pueden realizar la modulación y el control de señales ópticas, que se utilizan en los campos de la comunicación óptica, el procesamiento óptico de señales y la detección óptica. Utilizando el efecto magneto-óptico, se puede lograr la modulación y el control de señales ópticas en fibras ópticas para aplicaciones como la detección de campos magnéticos y la obtención de imágenes de campos magnéticos. Los sensores magneto-ópticos de fibra óptica tienen las ventajas de una alta sensibilidad, una rápida velocidad de respuesta y una gran capacidad anti-interferencia, por lo que tienen una amplia gama de aplicaciones en el campo de la medición de campos magnéticos y la formación de imágenes.
Aisladores ópticos: El efecto magneto-óptico también puede utilizarse para fabricar aisladores ópticos, que se emplean para evitar la propagación inversa y la interferencia cruzada de señales ópticas. Los aisladores ópticos desempeñan un papel importante en la comunicación óptica y los dispositivos ópticos para mejorar la estabilidad y el rendimiento del sistema.
3.2.2 Efectos mejorados en SGGG
En comparación con el GGG, el SGGG tendrá un efecto magneto-óptico más evidente debido al dopaje de Sm3+ y sus electrones no apareados como ion de metal de transición. Y al mismo tiempo la correspondiente estabilidad y aplicación, los dos siguen teniendo sus puntos fuertes y se complementan.
3.3 Respuesta en terahercios
La respuesta en terahercios se refiere a la respuesta de un material a la banda de terahercios (normalmente definida como una onda electromagnética situada entre los infrarrojos y las microondas, con un rango de frecuencias de unos 0,1 THz a 10 THz). La banda de terahercios tiene muchas propiedades especiales, como una alta penetración, no ionización y propiedades de absorción únicas para los tejidos biológicos y muchos materiales, etc. Mohsen Sabbaghi et al. investigaron la respuesta magneto-óptica de GGG y SGGG en el rango de frecuencias de 30 G Hz a 1 T Hz, así como el tensor de respuesta del material. En este rango espectral, los materiales muestran características no dispersivas y una atenuación mínima de la señal óptica. Cabe destacar que, en condiciones de baja temperatura, se observan pronunciadas rotaciones Faraday en terahercios en las muestras de (S)GGG. Este notable comportamiento giroeléctrico está probablemente relacionado con el elevado estado paramagnético de espín que presentan los iones Gd3+ dentro de la estructura del material.
3.4 Fotoluminiscencia
El análisis comparativo de los espectros de EPR, absorción óptica (OA) y luminiscencia de los monocristales de GGG fue estudiado por N. Mironova-Ulmane et al. En los cristales irradiados con el máximo flujo de neutrones, los espectros de EPR mostraron varios defectos paramagnéticos. En los GGG no irradiados, la fotoluminiscencia está marcada por impurezas no reguladas. Sin embargo, tras la irradiación neutrónica del GGG, emerge un amplio espectro de luminiscencia asimétrica, con un pico notable que oscila entre 725 y 733 nm. Este pico se intensifica proporcionalmente a la fluencia de irradiación. Así pues, es probable que esta banda espectral sea atribuible a la aparición de defectos inducidos por la radiación dentro del material.
La tecnología de fotoluminiscencia tiene una amplia gama de aplicaciones tanto en análisis biológicos como químicos (etiquetado fluorescente, espectroscopia de fluorescencia, etc.) y sensores ópticos, además de una amplia gama de dispositivos luminiscentes como dispositivos fluorescentes, iluminación LED, etc. La investigación de las propiedades relevantes del GGG ha dado lugar a la posibilidad de un cierto desarrollo de sus áreas de aplicación en el futuro.
4 Propiedades magnéticas del GGG y el SGGG y aplicaciones relacionadas
Como se ha mencionado anteriormente, el GGG y el SGGG tienen propiedades magneto-ópticas, y la aparición de propiedades magneto-ópticas se basa en la magnetización de sustancias en un campo magnético y el cambio resultante en las propiedades ópticas. Por lo tanto, la propiedad de magnetización de GGG y SGGG es también una base importante para su amplia aplicación. Los GGG y SGGG presentan ferromagnetismo debido al momento magnético del Gd3+, que manifiesta el fenómeno de magnetización así como el efecto magneto-óptico bajo un campo magnético aplicado.
Dado que los electrones de la capa más externa del Gd3+ son principalmente electrones 4f, estos electrones tienen múltiples electrones de espín no apareados en sus orbitales atómicos, lo que da lugar a átomos de gadolinio con un elevado momento angular de espín. Estos electrones de espín no apareados confieren a los átomos de gadolinio un gran momento magnético espontáneo a temperatura ambiente, mostrando así un magnetismo pronunciado. La estructura cristalina de GGG y SGGG es un sistema cristalino cúbico, que pertenece al cristal hexagonal. En esta estructura cristalina, la dirección de espín del Gd3+ está ordenada dentro del cristal, lo que da lugar a la formación de dominios magnéticos. Esta disposición ordenada contribuye a la formación de propiedades magnéticas observables macroscópicamente.
En términos de aplicaciones, el crecimiento de películas de granate ferromagnético sobre sustratos GGG puede utilizarse para fabricar dispositivos magneto-ópticos y memorias magnéticas de dominio de burbuja. El crecimiento de semiconductores compuestos III-V sobre sustratos GGG puede utilizarse para sistemas de comunicación óptica como aisladores magneto-ópticos integrados y diodos láser; circuitos magneto-ópticos integrados con emisores, detectores, aisladores, circuladores, desplazadores mutuos no intersecantes, moduladores, etc. integrados; grabaciones magnéticas con cabezas lectoras magnéticas integradas; y magnetometría, entre otros.
5 Propiedades térmicas del GGG y SGGG y aplicaciones relacionadas
Los cristales sintéticos con estructura de granate, además de su utilidad establecida en la electrónica cuántica, tienen aplicaciones generalizadas en diversos ámbitos científicos y tecnológicos. El imperativo de analizar las características termofísicas de los granates se debe al papel indispensable que desempeñan para facilitar cálculos de ingeniería precisos, fundamentales para el diseño y la optimización de los dispositivos asociados. Sin un conocimiento exhaustivo de estas propiedades, sigue siendo difícil determinar la eficacia y fiabilidad de tales dispositivos. D A Samoshkin y S V Stankus et al. han investigado datos experimentales nuevos y fiables sobre la capacidad calorífica del NGG y el GGG en el intervalo de temperaturas en estado sólido de 300-975 K. Los resultados se comparan con los datos existentes en la bibliografía sobre la capacidad calorífica del NGG y el GGG. Los resultados experimentales se compararon con los datos bibliográficos existentes. Por primera vez, se obtuvieron datos para el intervalo de temperaturas de 700-975 K. En las mismas condiciones, el coeficiente de capacidad calorífica del GGG aumenta gradualmente con el incremento de la temperatura, y la tendencia ascendente se ralentiza gradualmente, mostrando una imagen cada vez más suave.
6 Preparación de GGG y SGGG
En la fabricación de cristales de GGG y SGGG mediante el método Czochralski, es primordial un control meticuloso de la temperatura y de la velocidad de elevación.
Control de la temperatura: La gestión precisa de la temperatura dentro de la masa fundida es fundamental en el proceso Czochralski. Implica mantener una distribución de la temperatura que garantice el punto de fusión en la interfase sólido-líquido, al tiempo que se crea un grado de subenfriamiento alrededor de los cristales semilla. Este subenfriamiento impide la formación de núcleos adicionales, facilitando la disposición ordenada de átomos o moléculas en una estructura de cristal único. El aporte continuo de calor del calentador es esencial para mantener la masa fundida a la temperatura requerida, a menudo muy por encima de las condiciones ambientales.
Velocidad de elevación: La velocidad a la que se eleva el cristal influye profundamente en su velocidad de crecimiento y calidad. Una velocidad de rotación óptima favorece una mezcla eficaz dentro de la masa fundida, minimizando los gradientes radiales de temperatura y evitando un sobreenfriamiento excesivo de los componentes. Normalmente, se emplea una velocidad de elevación de entre 6 y 15 mm por hora para conseguir las características de crecimiento de cristal deseadas.
Los cristales GSGG sin núcleo de alta calidad son fáciles de cultivar y pueden evitar impurezas, tensiones y otros defectos causados por el crecimiento de pequeñas superficies.
D. F. O'Kane et al. obtuvieron cristales únicos de GSGG con menos de 5 defectos/cm 2 causados por inclusiones de iridio y dislocaciones utilizando un sistema de televisión de crecimiento de cristales Czochralski controlado por ordenador. La atmósfera de nitrógeno puro en el extractor de cristales redujo con éxito las inclusiones de iridio en los cristales extraídos. Durante el crecimiento de los cristales, la alta velocidad de rotación de los cristales y la lenta velocidad de extracción impidieron la formación de núcleos; se pudieron observar estrías en los cristales a esta alta velocidad de rotación. Las dislocaciones se evitan mediante un buen control del diámetro de los cristales durante el crecimiento. Se desarrolló un procedimiento de grabado para revelar las dislocaciones. Los parámetros de red del GGG no cambiaron durante las 26 horas necesarias para el crecimiento. El exceso de Ga203 en la masa fundida sólo provocó una ligera disminución del parámetro de red, mientras que el exceso de Gd203 aumentó significativamente el parámetro de red.
7 Conclusiones
El granate de gadolinio-galio (GGG) y el granate de samario-gadolinio-galio (SGGG) son materiales cristalinos famosos por su estructura de granate, caracterizada por notables propiedades ópticas, magnéticas y térmicas. Estos atributos únicos, que incluyen la óptica no lineal y los efectos magneto-ópticos, los hacen indispensables en diversos campos como la optoelectrónica, la tecnología de detección y el magnetismo. Aunque tanto el GGG como el SGGG encuentran amplias aplicaciones, el SGGG, aumentado por la incorporación de samario (Sm3+), presenta características ópticas, magnéticas, térmicas y eléctricas mejoradas. Sin embargo, a pesar de sus propiedades superiores, el GGG sigue siendo la opción predominante debido a su estabilidad establecida y a su madurez en el desarrollo dentro del panorama actual de la ciencia y la ingeniería de materiales.
Lectura relacionada:
Innovaciones en óptica: El papel de las bolas de granate GGG, SGGG y NGG
Referencia
[1]Mironova-Ulmane N ,Popov A ,Antuzevics A , et al. EPR and optical spectroscopy of neutron-irradiated Gd 3 Ga 5 O 12 single crystals[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]. Journal of Applied Physics,2020,127(2).
[3]Samoshkin A D ,A D S ,V S S . Capacidad calorífica de granates de neodimio y gadolinio-galio[J]. Journal of Physics: Conference Series,2020,1677(1).
[O'Kane F D ,Sadagopan V ,Giess A E , et al. Crystal Growth and Characterization of Gadolinium Gallium Garnet[J]. Diario de la sociedad electroquímica,2019,120(9).
