JPH03236203A

JPH03236203A - 磁気光学結晶膜成膜用ガーネット基板単結晶及びその製造方法

Info

Publication number: JPH03236203A
Application number: JP3316990A
Authority: JP
Inventors: Yasuto Miyazawa; 宮沢　靖人; Hiroaki Toshima; 戸嶋　博昭; Masanobu Kawada; 真伸河田
Original assignee: National Institute for Research in Inorganic Material
Current assignee: National Institute for Materials Science
Priority date: 1990-02-14
Filing date: 1990-02-14
Publication date: 1991-10-22
Anticipated expiration: 2010-03-29
Also published as: JPH0727824B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、光アイソレータ−、光スィッチ、光偏光器等
、光デバイスとして利用される磁気光学結晶膜の成膜用
基板として適するガーネット基板単結晶及びその製造方
法に関するものである。

（従来の技術及び解決しようとする課題）従来より、光
アイソレータ−、光スィッチ、光偏光器等、光デバイス
として利用される磁気光学結晶膜としては、一般式％式％元素を表わす）又は（Ｃｅｌ−ｘ−ｙＲｘＲ’　ｙ）ａ　Ｆｅ５０．２（但
し、０≦Ｘ≦１．０．０≦ｙ≦０．７で。

Ｒ及びＲ′はそれぞれＹ、Ｓｃ、Ｌａ。

Ｂｉ、　Ｎｄ、　Ｓｍ、　Ｅｕ、　Ｇｄ、　Ｔｂ、　Ｄ
ｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ等の希土類元素を表
わす）で表わされるビスマス又はセリウム置換希土類鉄ガーネ
ットが知られている。

これ等の磁気光学結晶膜を成膜する場合の基板結晶とし
ては、ガドリニウムガリウムガーネット。

ネオジウムガリウムガーネット、ガドリニウムスカンジ
ウムガリウムガーネット基板結晶等が用いられている。

しかし、格子定数がそれぞれ１．２３８ｎｍ、１．２５
１ｎｉ＋及び１．２５６ｎｍであり、前述のビスマス及
びセリウムの完全置換体の格子定数に対して小さく、成
膜時において基板とのマツチングが問題視されている。

また、ガドリニウムルテチウムガリウムガーネットが完
全置換体用基板結晶として知られているが、基板結晶製
造時において原料費が非常に高価になることが問題視さ
れている。

具体的には、以下のような諸問題があった。

まず、上記ビスマス又はセリウム置換希土類鉄ガーネッ
ト磁気光学結晶膜をスパッタリング法等の気相から成長
させる気相成長法、或いは液相エピタキシャル法等の液
相から成長させる液相成長方法等により、基板結晶上に
成長させる場合、成長する磁気光学膜結晶に欠陥、転位
を少なくする必要がある。また、基板と磁気光学結晶の
密着力を大きくさせる場合には、成膜磁気光学結晶と基
板結晶の格子定数をなるべく一致させるか若しくは同じ
くする必要がある。

ビスマス又はセリウム置換希土類鉄ガーネットのファラ
デイー回転能及び格子定数は、ビスマス又はセリウムの
置換量に比例して大きくなる６磁気光学結晶を用いて光
デバイスを作成する場合は、できるだけファラデイー回
転能を大きくする必要があり、デバイス全体の大きさを
小さくしたい場合に必要となる。最もファラデイー回転
能が大きいビスマス完全置換希土類鉄ガーネット、すな
わち、Ｂ　ｉａ　Ｆ　ｅｓ　Ｏｈｚ　（ビスマス鉄ガー
ネット）の格子定数は１．２６２ｎｍである。

しかしながら、従来、磁気光学結晶膜用ガーネット基板
としては、前述のとおり、ガドリニウムガリウムガーネ
ット、ネオジウムガリウムガーネット或いはガドリニウ
ムスカンジウムガリウムガーネット等が知られているが
、格子定数はそれぞれ１．２３８ｎｍ、１．２５１ｎ＋
ｍ及び１．２５６ｎｍである。したがって、これ等の基
板結晶を用いた場合、ビスマスの置換量と格子定数が比
例関係にあることより、ビスマスの置換量が限られてし
まい。

特性を生かし切れなくなってしまう。また、置換量を増
やすと、磁気光学結晶膜と基板結晶との間で格子不整合
を起こし、成膜磁気光学結晶膜に転位或いはクラックが
生じるという問題がある。

また、ネオジウムガリウムガーネット等は、３００ｒ＋
＋＋＋から２０００ｎｍの範囲（可視光領域から近赤外
光領域）において光吸収が認められるので、磁気光学結
晶の特性を広い範囲において使用不可能となる。

一方、ビスマス完全置換希土類鉄ガーネット用基板とし
ては、ガドリニウムルテチウムガリウムガーネットが知
られており、３００ｎｍから２０００ｎｅの範囲（可視
光領域から近赤外光領域）において光吸収がないこと、
及び格子定数が１．２６ｎｍであり、ビスマス完全置換
希土類鉄ガーネット用基板として用いられている。

しかしながら、ガドリニウムルテチウムガリウムガーネ
ット単結晶基板に関しては、単結晶育成時に必要な酸化
ルテチウムが非常に高価であるため、基板として非常に
高価なものとなることが問題とされている。

本発明は、上′記従来の磁気光学結晶用ガーネット基板
の欠点を解消し、ビスマス又はセリウム置換希土類鉄ガ
ーネット結晶膜の格子定数と整合できる格子定数を有し
、かつ、可視光領域から近赤外光領域において光吸収の
ない磁気光学結晶用基板結晶を提供し、またそれを安価
な原料費で製造できる方法を提供することを目的とする
ものである。

（課題を解決するための手段）本発明者等は、前記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた
結果、従来のガドリニウムガリウムガーネットにおける
ガリウムの一部をインジウムで置換し、或いはガドリニ
ウムスカンジウムガリウムガーネットにおけるスカンジ
ウムを、また、ガドリニウムルテチウムガリウムガーネ
ットにおけるルテチウムをインジウムで一部若しくは完
全に置換できることを見い出した。

また、格子定数は置換量において制御可能であることを
見い出した。

更に、完全置換体であるガドリニウムインジウムガリウ
ムガーネット（Ｇｄ３Ｉｎ２Ｇａ３０□２）の格子定数
は１．２６５ｎｍであり、可視光領域から近赤外光領域
において光吸収のないことを見い出した。

これ等の知見より、ガドリニウムインジウムガリウムガ
ーネット単結晶が磁気光学結晶膜、すなわち、ビスマス
又はセリウム置換希土類鉄ガーネット結晶の格子定数に
整合するとの知見を得、ここに本発明をなしたものであ
る。

すなわち、本発明の磁気光学結晶膜用ガドリニウムイン
ジウムガリウムガーネット単結晶は、−般式％式％）で表わされることを特徴とする単結晶である。

また、その製造方法は、ガドリニウム、インジウム、ガ
リウムの酸化物を、原子比で、Ｇｄ：Ｉｎ：Ｇａ＝｛３
（１−３Ｃ）＋　２　ｙ）：（３ｘ　＋　２　ｚ）：（
２（１−ｙ−ｚ）＋３）の量比で十分混合し、得られた
混合物若しくは化合物を不活性ガス、還元性ガス若しく
は酸化性ガス雰囲気で溶融し、固化させて単結晶を得る
ことを特徴とするものである。

本発明で得られるガドリニウムインジウムガリウムガー
ネット単結晶は、磁気光学結晶膜として知られるビスマ
ス又はセリウム置換希土類鉄ガーネット膜の成膜用とし
て適している。

例えば、ビスマス置換希土類鉄ガーネットは、一般式％式％元素を表わす）で表わされる。

また、セリウム置換希土類鉄ガーネットは、−般式％式％元素を表わす）で表わされる。

本発明で得られるガドリニウムインジウムガリウムガー
ネット単結晶の場合、前記一般式のＸ、ｙ、ｚをそれぞ
れ０≦Ｘ≦１．０、Ｏ≦ｙ≦０．５．０≦２≦１．０の
範囲とするのは、この範囲内においては、ガーネット単
一組が得られるためである。しかし、この範囲外におい
ては、ペロブスカ結晶が得られない。

本発明のガーネット基板単結晶を製造するには。

結晶が目的の組成になるように、酸化ガドリニウム（ａ
ｄ２０．）、酸化インジウム（Ｉｎ２０３）及び酸化ガ
リウム（Ｇ　ａ２０３）の量比を調整し、これらの混合
物若しくは化合物を不活性ガス、還元性ガス若しくは酸
化性ガス雰囲気中下で、ベルヌーイ法、フローティング
ゾーン法、チョクラルスキー法又はブリッジマン法等の
単結晶育成法により、溶融固化することによって得るこ
とができる。ガドリニウム、インジウム、ガリウムの酸
化物の混合量比が前記範囲外ではガーネット単一組の単
結晶が得られない。

（実施例）次に本発明の実施例を示す。

失１史上ガドリニウム、インジウム、ガリウムの酸化物を原子比
で、Ｇｄ：　Ｉｎ：　Ｇａ＝３．ＯＯ：　２．００　：
３．００になるように調整した混合物を、イリジウム坩
堝に入れて、１，５ｖｏＱ％の酸素を含む窒素雰囲気下
で、種結晶の回転数を２０ｒｐｍ、種結晶引き上げ速度
を４．０ｍｓ＋／ｈｒとしてチョクラルスキー法により
単結晶を育成した。

得られた結晶を粉末Ｘ線回折法により同定した結果、ガ
ーネット単一組であることが認められた。

また、そのＸ線回折スペクトルから、結晶の格子定数は
ａ＝１．２６５ｎｍであった。更に、結晶を切断し研磨
した後、光吸収スペクトル分析を行った結果、波長領域
３００ｎｍから２０００ｎ■の範囲内において、光吸収
は認められなかった。

なお、上記混合物を大気中１３００℃、２４時間固相反
応させて得られた化合物を用いて、チョクラルスキー法
により単結晶を育成した結果、得られた単結晶の物性は
、混合物を用いた場合と同じであった。

去１目」λ ガドリニウム、インジウム、ガリウムの酸化物を原子比
でＧｄ：　Ｉｎ：　Ｇａ−３，００：　２．００　：３
．００になるように調整した混合物を、酸素−水素混合
ガスを用い融解して結晶を得た。

得られた結晶を粉末Ｘ線回折法により同定した結果、ガ
ーネット単一組の単結晶であることが認められた。また
、そのＸ線回折スペクトルから、結晶の格子定数はａ＝
１，２６５ｎｍであった。更に、結晶を切断し研磨した
後、光吸収スペクトルにより分析した結果、波長領域３
００ｎｍから２０００ｎｍの範囲内において、光吸収は
認められなかった。

ス】１１ｙガドリニウム、インジウム、ガリウムの酸化物を原子比
でＧｄ：　Ｉｎ：　Ｇａ＝３．ＯＯ：　２．００　：３
．００になるように調整した混合物を、ラバーに詰め、
１０００　ｋｇ／ｃｍ”で成形し、１３００℃で６時間
同相反応させて化合物を得た。次いで、それを原料棒と
し、赤外線集光型フローティングゾーン法により酸素雰
囲気中で、原料棒及び種結晶を３Ｏｒｐｍ、移動速度４
．０ｍｍ／ｈｒで単結晶を育成した。

得られた結晶を粉末Ｘ線回折法により同定した結果、ガ
ーネット単一組の単結晶であることが認められた。また
、Ｘ線回折スペクトルから、結晶の格子定数はａ＝１．
２６５ｎ＊であった。更に、結晶を切断し研磨した後、
光吸収スペクトルによる分析を行った結果、波長領域３
００ｎｍから２０００ｎｍの範囲内において、光吸収は
認められなかった・（発明の効果）以上詳述したように、本発明によれば、光アイソレータ
−、光スィッチ、光偏光器等光デバイスとして利用され
る、大きなファラデイー回転能を有するビスマス又はセ
リウム置換希土類鉄ガーネット磁気光学結晶膜の成膜用
基板として、格子定数の整合性の点から有用な新規磁気
光学結晶膜用ガーネット単結晶を提供することができる
。また、従来のビスマス置換希土類鉄ガーネット磁気光
学結晶膜用基板として知られているガドリニウムルテチ
ウムガリウムガーネットに比べ、安価な原料から育成可
能であるので、安価な磁気光学結晶膜用基板単結晶を提
供できる。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）少なくとも、ガドリニウム、インジウム、ガリウ
ム及び酸素の４元素を含み、一般式｛Ｇｄ＿１＿−＿ｘＩｎ＿ｘ｝＿３〔Ｇｄ＿ｙＩｎ＿ｚ
Ｇａ＿１＿−＿ｙ＿−＿ｚ〕＿２（Ｇａ）＿３Ｏ−＿１
＿２（但し、０≦ｘ≦１．０、０≦ｙ≦０．５、０≦ｚ
≦１．０）で表わされるものであることを特徴とする磁気光学結晶
膜用ガドリニウムインジウムガリウムガーネット単結晶
。
（２）前記磁気光学結晶膜が、一般式｛Ｂｉ＿１＿−＿ｘ＿ｙＲ＿ｘＲ′＿ｙ｝＿３Ｆｅ＿５
Ｏ＿１＿２（但し、０≦ｘ≦１．０、０≦ｙ≦０．７で
、Ｒ及びＲ′はそれぞれＹ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅ
ｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ等の希土類元素を表わす）で表わされるビスマス置換希土類鉄ガーネットである請
求項１に記載の磁気光学結晶用ガドリニウムインジウム
ガリウムガーネット単結晶。
（３）前記磁気光学結晶膜が、一般式、｛Ｃｅ＿１＿−＿ｘ＿−＿ｙＲ＿ｘＲ′＿ｙ｝＿３Ｆｅ
＿５Ｏ＿１＿２（但し、０≦ｘ≦１．０、０≦ｙ≦０．
７で、Ｒ及びＲ′はそれぞれＹ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｂｉ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅ
ｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ等の希土類元素を表わす）で表わされるセリウム置換希土類鉄ガーネットである請
求項１に記載の磁気光学結晶用ガドリニウムインジウム
ガリウムガーネット単結晶。
（４）ガドリニウム、インジウム、ガリウムの酸化物を
原子比でＧｄ：Ｉｎ：Ｇａ＝｛３（１−ｘ）＋２ｙ｝：
〔３ｘ＋２ｚ〕：（２（１−ｙ−ｚ）＋　３）の量比で
十分混合し、得られた混合物若しくは化合物を不活性ガ
ス、還元性ガス若しくは酸化性ガス雰囲気で溶融し、固
化させて単結晶を得ることを特徴とする磁気光学結晶膜
用ガドリニウムインジウムガリウムガーネット単結晶の
製造方法。