GGG 대 SGGG 크리스탈 기판: 기술 요구사항에 맞는 우수한 선택은 무엇일까요?

1 소개

가돌리늄 갈륨 가넷(GGG) 과 사마륨 가돌리늄 갈륨 가넷(SGGG) 은 가넷 구조를 가진 결정으로, 비선형 광학 및 자기 광학 특성과 자기 및 열 특성과 같은 독특한 광학적 특성을 가지고 있습니다. 따라서 광전자, 센서 및 자성 분야에서 널리 사용됩니다. 대체로 Sm3+의 도입으로 인해 SGGG는 GGG에 비해 광학, 자기, 열 및 전기적 특성이 더 강하지만 안정성과 개발 성숙도 측면에서 현재 GGG가 여전히 주류를 이루고 있습니다.

2 GGG와 SGGG의 결정 구조

가돌리늄 갈륨 가넷(GGG) 결정은 아이소메트릭 결정계의 일종인 입방정계 결정에 속합니다. 격자 상수는 12.383Å이며 결정학적 단위 셀은 8개의 화학 분자 단위로 구성됩니다. 가넷 결정계의 파생물로서 결정 구조는 가넷과 유사하며, [GaO4]4-에 의해 제공되는 정팔면체 또는 사면체 틀과 함께 각각 양전하 이온 위치를 Gd2+와 Ga3+가 차지하고 있습니다. 가넷과 마찬가지로 GGG는 일반적으로 사면체 결정화 습성을 가지며, 델토이드 이코시테트라헤드론도 존재합니다.

사마륨 가돌리늄 갈륨 가넷(SGGG)은 GGG에서 Ga3+의 일부를 Sm3+로 도핑하여 얻은 결정으로, 외관 및 결정 구조가 GGG와 유사합니다. Sm3+의 이온 반경이 Ga3+에 비해 크기 때문에 같은 위치에서 Ga3+를 Sm3+로 치환하면 결정 구조가 약간 왜곡되고, 이로 인해 SGGG의 결정 구조에 작은 변화가 생겨 물성에 부분적인 차이가 생깁니다.

3 GGG 및 SGGG의 광학적 특성 및 관련 애플리케이션

3.1 비선형 광학 특성

GGG와 SGGG는 입방 결정계에 속하며 결정 구조에는 중심 대칭이 없으며 비 중심 대칭 구조에서는 중심 반전 대칭이 동시에 깨져 GGG가 SHG (Second Harmonic Generation) 및 OPO (Optical Parametric Oscillation) 등과 같은 2 차 비선형 효과를 갖습니다. 따라서 GGG와 SGGG는 비선형 광학적 특성을 가지며 레이저는 물론 통신 및 감지 분야에서 중요한 응용 분야를 가지고 있습니다.

3.1.1 GGG의 비선형 광학적 특성과 관련된 응용 분야

레이저 기술: GGG는 레이저 출력의 주파수 배가, 주파수 혼합 및 레이저 처리, 스펙트럼 분석, 생의학 이미징 등의 기타 프로세스를 생성하는 데 사용할 수 있는 2차 고조파 생성(SHG) 및 광학 파라메트릭 발진기(OPO)를 제작하는 데 사용할 수 있습니다.

라이다 시스템: GGG는 레이저 빔의 변조, 병합 및 감지를 위해 LIDAR 시스템에서 비선형 광학을 제작하는 데에도 사용할 수 있습니다. LIDAR 시스템은 원격 감지, 지질 탐사, 항공 우주 및 기타 분야에서 널리 사용됩니다.

광통신 및 감지: GGG는 고효율 및 저손실 광 신호 전송을 실현하기 위해 광 신호의 전송 및 처리를 변조 및 제어하는 데 사용되는 광 변조기 및 광 스위치와 같은 장치를 제조하는 데 사용할 수 있습니다. 또한 광 신호의 강도, 주파수 및 위상과 같은 매개 변수를 감지하는 데 사용되는 광학 센서를 제조하는 데에도 사용할 수 있습니다. GGG 기반 센서는 환경 모니터링, 의료 진단, 산업 제어 분야에서 널리 사용됩니다.

3.1.2 SGGG의 향상된 비선형 광학 특성

SGGG 결정에 Sm3+를 도핑하여 GGG 결정의 Ga3+ 일부를 대체하면 결정 구조에 약간의 변화가 발생하여 광학 특성이 일부 변경됩니다. Sm3 +의 도입은 비선형 편광 메커니즘을 추가하여 일부 비선형 광학 애플리케이션에서 더 큰 비선형 광학 계수를 나타내는 SGGG의 비선형 광학 응답을 향상시키고 더 높은 변환 효율을 나타냅니다.

그렇다고 해서 SGGG가 비선형 광학 애플리케이션에서 GGG를 완전히 능가하고 대체할 수 있다는 의미는 아닙니다. Sm3 +의 도입으로 인해 더 높은 비선형 광학 계수를 가져 오면서 결정 구조의 변화로 인해 SGGG의 광학 성능의 안정성이 약간 감소합니다. 이러한 변화로 인해 SGGG는 애플리케이션 시나리오의 환경 조건에 더 민감해지므로 안정성과 일관성에 대한 요구가 높을 때 SGGG가 여전히 SGGG보다 우수합니다. 안정성과 일관성에 대한 요구가 높을 때는 여전히 GGG가 SGGG보다 더 나은 선택입니다.

3.2 자기 광학 특성

GGG와 SGGG는 자기 광학 특성을 가지고 있습니다. 자기광학 효과는 자기장이 가해진 상태에서 재료의 광학적 특성이 변화하는 현상입니다. 이러한 변화는 편광 상태, 굴절률 또는 빛의 흡수 등의 변화로 나타날 수 있습니다. GGG의 자기 광학 효과는 주로 결정 구조와 내부 이온의 상호 작용과 인가된 자기장의 영향으로 인해 발생합니다. 자기장의 작용에 따라 자기 광학 결정에서 이온(일반적으로 전이 금속 이온)의 스핀과 궤도 운동이 변화하여 광학적 특성이 변화합니다. 자기장을 가하면 자기 광학 결정에 있는 이온의 스핀이 광자와 상호 작용하여 빛의 편광 방향이 회전합니다. 이 현상을 패러데이 효과라고도 합니다.

3.2.1 자기 광학 효과와 관련된 애플리케이션

자기 광학 저장: GGG의 자기광학 효과는 자기광학 저장 장치에 널리 사용됩니다. 자기 광학 효과를 활용하면 매체에 정보를 쓰고, 읽고, 지울 수 있습니다. 자기 광학 저장 장치는 높은 저장 밀도, 빠른 속도 및 장기적인 안정성이라는 장점을 가지고 있으므로 데이터 저장 분야에서 중요한 응용 전망을 가지고 있습니다.

통신 및 감지용 광학 장치: GGG와 SGGG는 광 변조기 및 광 스위치와 같은 광학 장치를 제조하는 데에도 사용할 수 있습니다. 이러한 장치는 광통신, 광 신호 처리 및 광 감지 분야에서 사용되는 광 신호의 변조 및 제어를 실현할 수 있습니다. 자기 광학 효과를 사용하여 자기장 감지 및 자기장 이미징과 같은 애플리케이션에서 광섬유에서 광 신호의 변조 및 제어를 달성할 수 있습니다. 자기 광학 광섬유 센서는 고감도, 빠른 응답 속도, 강력한 간섭 방지 기능의 장점을 가지고 있어 자기장 측정 및 이미징 분야에서 광범위하게 응용할 수 있습니다.

광학 아이솔레이터: 자기 광학 효과는 광 신호의 역전파 및 누화를 방지하는 데 사용되는 광 아이솔레이터를 제작하는 데에도 사용할 수 있습니다. 광 아이솔레이터는 광통신 및 광학 장치에서 시스템의 안정성과 성능을 향상시키는 데 중요한 역할을 합니다.

3.2.2 SGGG의 향상된 효과

GGG와 비교하여 SGGG는 전이 금속 이온으로서 Sm3+와 그 짝을 이루지 않은 전자의 도핑으로 인해 더 분명한 자기 광학 효과를 갖습니다. 그리고 동시에 해당 안정성과 응용 분야에서 이 둘은 여전히 강점을 가지고 있으며 서로를 보완합니다.

3.3 테라헤르츠 응답

테라헤르츠 응답은 테라헤르츠 대역(일반적으로 적외선과 마이크로파 사이에 위치한 전자기파로 정의되며 주파수 범위는 약 0.1 THz ~ 10 THz)에 대한 물질의 응답을 말합니다. 테라헤르츠 대역은 높은 투과율, 비이온화, 생체 조직 및 다양한 물질에 대한 고유한 흡수 특성 등 여러 가지 특수한 특성을 가지고 있습니다. 모흐센 사바기 등은 30GHz~1THz 주파수 범위에서 GGG와 SGGG의 자기광학 응답과 물질 응답 텐서를 조사했습니다. 이 스펙트럼 범위에서 물질은 비분산 특성과 최소 광학 신호 감쇠를 보여줍니다. 놀랍게도 저온 조건에서 (S)GGG 시편에서 뚜렷한 테라헤르츠 패러데이 회전이 관찰되었습니다. 이 주목할 만한 자이로전기 거동은 아마도 물질 구조 내에서 Gd3+ 이온에 의해 나타나는 높은 스핀 상자성 상태와 관련이 있을 것입니다.

3.4 광발광

GGG 단결정의 EPR, 광학 흡수(OA) 및 발광 스펙트럼을 비교 분석한 결과, 최대 중성자 플럭스로 조사된 결정에서 EPR 스펙트럼은 몇 가지 상자성 결함을 보였습니다. 방사선을 조사하지 않은 GGG에서 광발광은 조절되지 않은 불순물에 의해 표시됩니다. 그러나 중성자를 GGG에 조사하면 725~733nm 범위의 주목할 만한 피크와 함께 넓은 비대칭 발광 스펙트럼이 나타납니다. 이 피크는 조사 플루언스에 비례하여 강해집니다. 따라서 이 스펙트럼 대역은 재료 내에서 방사선으로 인한 결함의 출현에 기인할 가능성이 높습니다.

광발광 기술은 형광 장치, LED 조명 등과 같은 다양한 발광 장치뿐만 아니라 생물학적 분석(형광 라벨링, 형광 분광법 등) 및 광학 센서에 광범위하게 응용되고 있습니다. GGG의 관련 특성에 대한 연구로 인해 향후 응용 분야가 더욱 발전할 가능성이 높아졌습니다.

GGG와 SGGG의 4가지 자기적 특성과 관련 응용 분야

앞서 언급했듯이 GGG와 SGGG는 자기광학적 특성을 가지고 있으며, 자기광학적 특성의 발현은 자기장 속에서 물질이 자화되고 그에 따른 광학적 특성의 변화를 기반으로 합니다. 따라서 GGG와 SGGG의 자화 특성은 광범위한 응용에 중요한 기반이 됩니다. GGG와 SGGG는 Gd3+의 자기 모멘트로 인해 강자성을 나타내며, 이는 자기장 하에서 자화 현상뿐만 아니라 자기 광학 효과를 나타냅니다.

Gd3+의 가장 바깥층에 있는 전자는 주로 4f 전자인데, 이 전자는 원자 궤도에 짝을 이루지 않은 스핀 전자를 여러 개 가지고 있어 스핀 각운동량이 높은 가돌리늄 원자를 형성합니다. 이러한 짝을 이루지 않은 스핀 전자는 상온에서 가돌리늄 원자에 큰 자발적 자기 모멘트를 부여하여 뚜렷한 자성을 나타냅니다. GGG와 SGGG의 결정 구조는 육각형 결정에 속하는 정육면체 결정계입니다. 이 결정 구조에서 Gd3+ 스핀 방향은 결정 내부에 정렬되어 자성 도메인을 형성합니다. 이 정렬된 배열은 거시적으로 관찰 가능한 자기 특성을 형성하는 데 기여합니다.

응용 측면에서, 강자성 가넷 필름이 GGG 기판에서 성장하면 자기 광학 장치와 자기 버블 도메인 메모리를 제작하는 데 사용할 수 있습니다. GGG 기판에서 III-V 화합물 반도체의 성장은 통합 자기 광학 절연체 및 레이저 다이오드와 같은 광통신 시스템, 이미터, 검출기, 절연체, 순환기, 비교차 상호 시프터, 변조기 등이 통합된 통합 자기 광학 회로, 자기 읽기 헤드가 통합된 자기 기록, 자력 측정 등에 사용될 수 있습니다.

GGG 및 SGGG의 5가지 열적 특성 및 관련 애플리케이션

합성 가넷 구조 결정은 양자 전자공학에서 확립된 유용성 외에도 다양한 과학 및 기술 영역에 걸쳐 광범위하게 응용되고 있습니다. 가넷의 열물리학적 특성을 면밀히 조사해야 하는 이유는 관련 장치의 설계와 최적화에 필수적인 정밀한 엔지니어링 계산을 촉진하는 데 가넷이 필수 불가결한 역할을 하기 때문입니다. 이러한 특성에 대한 포괄적인 이해 없이는 이러한 장치의 효율성과 신뢰성을 확인하기가 어렵습니다. D A 사모쉬킨과 S V 스탄쿠스 등은 300~975°C의 고체 온도 범위에서 NGG와 GGG의 열용량에 대한 새롭고 신뢰할 수 있는 실험 데이터를 조사하고 그 결과를 NGG와 GGG의 열용량에 대한 기존 문헌 데이터와 비교했습니다. 실험 결과는 기존 문헌 데이터와 비교되었습니다. 처음으로 700-975 K 온도 구간에서 데이터를 얻었습니다. 동일한 조건에서 GGG의 열용량 계수는 온도가 증가함에 따라 점차 상승하고 상승 추세는 점차 둔화되어 점점 더 부드러운 이미지를 보여줍니다.

6 GGG 및 SGGG의 준비

조크랄스키 방법을 이용한 GGG 및 SGGG 결정 제조에서는 온도와 리프팅 속도에 대한 세심한 제어가 가장 중요합니다.

온도 제어: 용융물 내의 정밀한 온도 관리는 초크랄스키 공정의 핵심입니다. 고체-액체 계면에서의 융점을 보장하는 온도 분포를 유지하면서 시드 결정 주위에 어느 정도의 과냉각을 만들어야 합니다. 이러한 과냉각은 추가적인 핵의 형성을 방지하여 원자 또는 분자가 단결정 구조로 질서정연하게 배열되는 것을 촉진합니다. 용융물을 필요한 온도로 유지하려면 히터에서 지속적으로 열을 공급해야 하며, 이는 종종 주변 조건보다 훨씬 높은 온도입니다.

리프팅 속도: 결정이 들어 올려지는 속도는 결정의 성장 속도와 품질에 큰 영향을 미칩니다. 최적의 회전 속도는 용융물 내에서 효과적인 혼합을 촉진하여 방사형 온도 변화를 최소화하고 과도한 부품 과냉각을 방지합니다. 일반적으로 바람직한 결정 성장 특성을 달성하기 위해 시간당 6~15mm 범위의 리프팅 속도를 사용합니다.

고품질의 코어리스 GSGG 결정은 성장하기 쉽고 작은 표면 성장으로 인한 불순물, 응력 및 기타 결함을 피할 수 있습니다.

이리듐 내포물 및 전위로 인한 결함/cm 2 미만의 결함이 5 개 미만인 GGG 단결정은 컴퓨터 제어 Czochralski 결정 성장 텔레비전 시스템을 사용하여 D. F. O'Kane 등에 의해 얻어졌습니다. 결정 풀러의 순수한 질소 분위기는 당겨진 결정의 이리듐 내포물을 성공적으로 감소시켰습니다. 결정이 성장하는 동안 결정의 높은 회전 속도와 느린 당김 속도로 인해 코어링이 방지되었으며, 이 높은 회전 속도에서 결정의 줄무늬가 관찰될 수 있었습니다. 성장하는 동안 결정 지름을 잘 제어하면 전위를 피할 수 있습니다. 전위를 드러내기 위해 에칭 절차가 개발되었습니다. 성장에 필요한 26시간 동안 GGG의 격자 매개변수는 변하지 않았습니다. 용융물에서 과량의 Ga203은 격자 파라미터를 약간만 감소시킨 반면, 과량의 Gd203은 격자 파라미터를 크게 증가시켰습니다.

7 결론

가돌리늄 갈륨 가넷(GGG)과 사마륨 가돌리늄 갈륨 가넷(SGGG)은 뛰어난 광학, 자기 및 열적 특성을 특징으로 하는 가넷 구조로 잘 알려진 결정질 소재입니다. 비선형 광학 및 자기 광학 효과를 포함한 이러한 독특한 특성 덕분에 광전자, 감지 기술, 자성 등 다양한 분야에서 없어서는 안 될 필수 요소로 자리 잡았습니다. GGG와 SGGG 모두 광범위한 응용 분야를 가지고 있지만, 사마륨(Sm3+)을 결합하여 강화된 SGGG는 광학, 자기, 열, 전기적 특성이 더욱 강화되었습니다. 그러나 우수한 특성에도 불구하고 현재 재료 과학 및 엔지니어링 환경에서 안정성과 개발 성숙도가 확립되어 있기 때문에 GGG가 여전히 널리 사용되고 있습니다.

관련 자료

광학의 혁신: GGG, SGGG, NGG 가넷 불의 역할

참고 문헌

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