Innovaciones en óptica: El papel de las bolas de granate GGG, SGGG y NGG

1 Prefacio

La construcción a gran escala de redes 5G está brindando nuevas oportunidades al mercado de las comunicaciones por fibra óptica. La fibra óptica es el único material que proporciona las altas velocidades de transmisión de datos necesarias. Al tiempo que aumenta la demanda de fibra óptica debido a las redes 5G, también aumenta la demanda de aisladores de fibra óptica. Los aisladores de fibra óptica se utilizan en combinación con amplificadores de fibra dopada con cebo para aumentar la ganancia máxima y reducir el índice de ruido. En el rápido desarrollo de la comunicación por fibra óptica con multiplexación por división de longitud de onda densa (DWDM), los sistemas de alta velocidad y gran capacidad desempeñan un papel significativo. Los aisladores ópticos son especialmente importantes en este contexto.

El granate degalio gadolinio ( GGG), el granate de galio gadolinio escandio (SGGG) y el granate de galio neodimio (NGG) se utilizan ampliamente en diversos dispositivos magneto-ópticos debido a sus excelentes propiedades magneto-ópticas y se han convertido en una estrella emergente en el campo de los materiales ópticos.

Imagen 1 Fibra óptica

2 GGG

2.1 Introducción

El granate de gadolinio y galio (GGG, fórmula Gd3Ga5O12) es un material cristalino sintético similar al granate que suele ser incoloro. Posee una red cristalina cúbica, una densidad de 7,08 g/cm3 y una dureza Mohs de 6,5 y 7,5. Como materia prima importante para dispositivos ópticos, el GGG tiene algunas propiedades únicas. Tiene un índice de refracción relativamente alto. Al mismo tiempo, tiene una buena transparencia en el rango espectral visible. Esto permite que la luz lo atraviese y mantenga sus propiedades ópticas originales. Es ideal para la preparación de dispositivos ópticos como lentes de alto índice de refracción, componentes ópticos y dispositivos láser. También presenta varios efectos ópticos no lineales, como el efecto óptico Kerr y el efecto de autoenfoque. El GGG tiene una conductividad térmica relativamente baja y su excelente disipación del calor lo hace ideal para su uso en dispositivos ópticos y sustratos. Y lo que es más importante, el GGG tiene excelentes propiedades magneto-ópticas, que se caracterizan por el efecto de espín de Faraday. Esta propiedad ha dado lugar a una amplia gama de aplicaciones en dispositivos magneto-ópticos, como dispositivos de almacenamiento magneto-ópticos y deflectores magneto-ópticos.

Imagen 2 Cristales GGG escamosos

2.2 Caracteres

Los transistores y los circuitos integrados se fabrican sobre la superficie de una lámina semiconductora, que en este caso es el sustrato (chip). El sustrato semiconductor desempeña un papel no sólo en las propiedades eléctricas, sino también en el soporte mecánico.

Como material de sustrato, el GGG tiene características muy adecuadas para los materiales de sustrato:

1. Coincidencia estructural entre el sustrato y la película epitaxial: Los materiales epitaxiales y los materiales de sustrato tienen la misma o similar estructura cristalina, un pequeño desajuste de la constante de red, buenas propiedades cristalinas y baja densidad de defectos. La constante de red y el coeficiente de expansión térmica de los monocristales de GGG coinciden con los de YIG, por lo que se considera que el monocristal de GGG es un material de sustrato adecuado para las películas epitaxiales magneto-ópticas de YIG y similares a YIG. Estos materiales YIG y YIG-like tienen una amplia gama de aplicaciones en el campo de los aisladores ópticos, guías de ondas ópticas y óptica integrada.

2. 2. Igualación del coeficiente de expansión térmica entre el sustrato y la película epitaxial: La adaptación del coeficiente de dilatación térmica es muy importante. La diferencia entre la película epitaxial y el material del sustrato en el coeficiente de expansión térmica es demasiado grande no sólo puede hacer que la calidad de la película epitaxial disminuya, sino también en el proceso de trabajo del dispositivo, debido al calor causado por el daño del dispositivo.

3. 3. La estabilidad química del sustrato y de la película epitaxial deben coincidir: El material del sustrato debe tener una buena estabilidad química, y proteger la película epitaxial manteniendo su estabilidad y no descomposición durante el procesamiento.

4. La facilidad de preparación y el coste de los materiales: Para ser puesto en producción en masa, la preparación del material de sustrato requiere un proceso simple y un coste lo más bajo posible.

Imagen 3 Patrón XRD de GGG a 1000°C

2.3 Preparación

La gran mayoría de las memorias magnéticas de burbuja se preparan en sustratos de granate de gadolinio y galio (GGG). Estos sustratos no sólo sirven como soportes, sino también como núcleos para el crecimiento epitaxial de las capas de almacenamiento magnético. Cualquier defecto en la estructura del sustrato se reproducirá en la capa epitaxial, por lo que el sustrato debe ser muy uniforme. Por lo tanto, la tecnología del proceso de preparación de GGG en sí debe ser muy perfecta para garantizar su calidad. El método más común de preparación de GGGs es el método de tracción, y dos de los aspectos más importantes del proceso de preparación de tracción son el control de la temperatura y la velocidad.

1. 1. Control de la temperatura: El control de la temperatura de la masa fundida es la clave del proceso de crecimiento cristalino del método de tracción. La distribución de la temperatura en la masa fundida es necesaria para mantener la temperatura del punto de fusión en la interfase sólido-líquido, para asegurar que la masa fundida alrededor del cristal semilla tiene un cierto grado de subenfriamiento, y el resto de la masa fundida permanece sobrecalentada. De este modo, se garantiza que la masa fundida no produzca otros núcleos, átomos o moléculas en la interfase de acuerdo con la estructura del cristal semilla dispuesto en un solo cristal. Para mantener un cierto grado de subenfriamiento, la interfase de crecimiento debe moverse constantemente hacia temperaturas más bajas alejándose de la superficie isotérmica del punto de solidificación para que crezcan los cristales. Además, la temperatura de la masa fundida suele ser muy superior a la temperatura ambiente, para mantener la masa fundida a su temperatura adecuada, sino también por el calentador también debe tener un suministro continuo de calor.

2. Velocidad de elevación: La velocidad de elevación determina la velocidad de crecimiento de los cristales y su calidad. Con la velocidad de rotación adecuada, la masa fundida puede producir una buena mezcla, y reducir el gradiente de temperatura radial, para evitar que los componentes del propósito de sobreenfriamiento. La tasa de elevación general es de 6-15 mm por hora.

Además, debido al crecimiento del propio material GGG, a veces se producen partículas blancas neblinosas en los cristales, lo que afecta al uso óptico. También se están estudiando las razones técnicas relacionadas y las opciones de mejora.

Imagen 4 A veces aparecen manchas blancas empañadas en los cristales de GGG

2.4 Aplicaciones (en refrigeración)

Losmateriales magnéticos experimentan un cambio en la dirección de su momento magnético en un campo magnético aplicado. Este proceso va acompañado de un cambio en la entropía magnética, es decir, el cambio de entropía causado por la reorientación del momento magnético en el campo magnético externo. El intercambio de calor se produce cuando los materiales magnéticos sufren un cambio de entropía magnética en un campo magnético. Al diseñar un sistema de refrigeración magnética, es posible enfriar un objeto al tiempo que se absorbe calor. En la industria de la refrigeración magnética, el GGG se ha aplicado con éxito en la región de temperaturas inferiores a 20K para el flujo de He II en el mercado, así como en la refrigeración previa a la licuefacción de helio-nitrógeno.

Imagen 5 Cristales columnares de GGG

3SGGG&NGG

3.1 SGGG

Los cristales degranate de escandio, gadolinio y galio (SGGG, fórmula Gd3Sc2Ga3O12) son cristales que se obtienen sustituyendo parte del Ga3+ por Sc3+ en los cristales de GGG, que son similares en estructura y aspecto y se producen por el mismo método. El GSGG presenta algunas ventajas:

1. Al igual que el GGG, los cristales GSGG sin núcleo de alta calidad son fáciles de cultivar y pueden evitar los defectos de impurezas y tensiones causados por el crecimiento de pequeñas superficies.

2. 2. El granate que contiene Sc tiene una mayor conductividad térmica y propiedades fisicoquímicas estables, posee una mayor eficiencia de disipación del calor y evita eficazmente los problemas causados por el sobrecalentamiento de la superficie.

Tabla 1 Comparación de las propiedades de GGG y SGGG

3.2 NGG

Los cristales deNeodimio Galio Granate (NGG) son cristales que se obtienen sustituyendo el Nd3+ por parte del Ga3+ en los cristales GGG. Sus ventajas se reflejan principalmente en:

1. El cristal es relativamente fácil de cultivar, y la velocidad de crecimiento del cristal puede alcanzar los 5 mm/h.

2. El cristal puede crecer en una interfaz plana sin concentración de tensiones y con pocas impurezas, lo que facilita la preparación de láminas de gran tamaño para aplicaciones de cristales de alta potencia.

3. El Nd en los cristales de granate de itrio y aluminio (YAG) tiene un coeficiente de partición de 0,1-0,2, mientras que en los cristales GGG el coeficiente de partición del Nd es superior hasta 0,52, lo que favorece la preparación de cristales láser dopados de alta concentración, aumentando así la potencia de bombeo ^[1].

4. En comparación con el medio de ganancia láser vidrio de neodimio, los cristales de Nd: GGG tienen una mayor resistencia mecánica y una mayor conductividad térmica, lo que permite el enfriamiento de los cristales en un tiempo más corto.

5. La sustitución homomórfica de Nd3+ por Gd3+ evita eficazmente la fragmentación de la luminiscencia en el nivel superior de energía del láser de Nd3+ ^[2].

6. La eficiencia láser de los cristales de Nd: GGG es dos veces superior a la del cristal de neodimio, un medio de ganancia láser de alta potencia comúnmente utilizado, y puede emplearse como medio de trabajo láser en armas láser estratégicas de corto alcance con una potencia de hasta 100 kW ^[3,4].

Tabla 2 Comparación de las propiedades de GGG, SGGG y NGG

4 Conclusiones

El GGG, el SGGG y el NGG se utilizan ampliamente en la tecnología láser, los dispositivos ópticos, las aplicaciones magnéticas y otros campos de alta tecnología debido a sus propiedades ópticas superiores. El GGG, como material más ampliamente investigado y aplicado, se ha utilizado en una gran variedad de aplicaciones en los campos de las cavidades de resonancia láser, dispositivos magneto-ópticos cristales láser, etc.; el SGGG y el NGG presentan aspectos superiores en sus propiedades originales y están a la espera de que se exploren más aplicaciones debido al dopaje del escandio y el neodimio con dos tipos de elementos de tierras raras. SGGG y NGG, debido al dopaje de dos elementos de tierras raras, escandio y neodimio, presentan aspectos superiores a las propiedades originales de GGG y están a la espera de que se exploren más aplicaciones.

Referencias

[1]ZIMIK K，CHAUHANR，KUMARR，eta1．Estudiosobre el crecimiento del cristalNd3+：Gd3Ga5O12(Nd： GGG) mediante la técnica czochralski bajo diferentes velocidades de flujo de gas y utilizando diferentes tamaños de crisol para el crecimiento de la interfaz plana[J]．JournaIof CrystaIGrowth，2013，363(3)：76-79．