광학의 혁신: GGG, SGGG 및 NGG 가넷 불의 역할

1 머리말

5G 네트워크의 본격적인 구축은 광섬유 통신 시장에 새로운 기회를 가져오고 있습니다. 광섬유는 필요한 고속 데이터 전송 속도를 제공하는 유일한 소재입니다. 5G 네트워크로 인해 광섬유에 대한 수요가 급증하면서 광섬유 아이솔레이터에 대한 수요도 증가하고 있습니다. 광섬유 아이솔레이터는 최대 이득을 높이고 잡음 지수를 줄이기 위해 베이트 도핑 광섬유 증폭기와 함께 사용됩니다. 고밀도 파장 분할 다중화(DWDM) 광섬유 통신의 급속한 발전에서 고속 및 고용량 시스템은 중요한 역할을 합니다. 이러한 맥락에서 광 아이솔레이터는 특히 중요합니다.

가돌리늄 갈륨 가넷 (GGG), 스칸듐 가돌리늄 갈륨 가넷 (SGGG), 네오디뮴 갈륨 가넷 (NGG )은 우수한 자기 광학 특성으로 인해 다양한 자기 광학 장치에 널리 사용되며 광학 재료 분야에서 떠오르는 스타로 자리 잡고 있습니다.

그림 1 광섬유

2 GGG

2.1 소개

가돌리늄 갈륨 가넷 (GGG, 화학식 Gd3Ga5O12)은 일반적으로 무색인 가넷과 유사한 합성 결정성 물질입니다. 정육면체 결정 격자, 밀도 7.08g/cm3, 모스 경도 6.5와 7.5를 가지고 있습니다. 광학 기기의 중요한 원료인 GGG는 몇 가지 독특한 특성을 가지고 있습니다. 상대적으로 굴절률이 높습니다. 동시에 가시광선 스펙트럼 범위에서 투명성이 우수합니다. 이를 통해 빛이 통과하고 원래의 광학 특성을 유지할 수 있습니다. 고굴절률 렌즈, 광학 부품 및 레이저 장치와 같은 광학 장치의 제조에 이상적입니다. 또한 광학 커 효과 및 자체 초점 효과와 같은 여러 비선형 광학 효과를 나타냅니다. GGG는 열전도율이 상대적으로 낮고 열 방출이 뛰어나 광학 기기는 물론 기판에 사용하기에 이상적입니다. 무엇보다도 GGG는 패러데이 스핀 효과가 특징인 우수한 자기광학 특성을 가지고 있습니다. 이러한 특성 덕분에 자기 광학 저장 장치 및 자기 광학 디플렉터와 같은 자기 광학 장치에 광범위하게 응용할 수 있습니다.

그림 2 벗겨진 GGG 결정

2.2 특성

트랜지스터와 집적 회로는 반도체 시트, 이 경우에는 기판(칩)의 표면에 제작됩니다. 반도체 기판은 전기적 특성뿐만 아니라 기계적 지지 역할도 합니다.

기판 재료로서 GGG는 기판 재료에 매우 적합한 특성을 가지고 있습니다:

1. 기판과 에피택셜 필름의 구조적 일치: 에피택셜 재료와 기판 재료는 동일하거나 유사한 결정 구조, 작은 격자 상수 불일치, 우수한 결정 특성 및 낮은 결함 밀도를 가지고 있습니다. GGG 단결정의 격자 상수와 열팽창 계수는 YIG와 일치합니다. 따라서 GGG 단결정은 YIG 및 YIG 유사 자기 광학 에피택셜 필름에 적합한 기판 재료로 간주됩니다. 이러한 YIG 및 YIG 유사 재료는 광절연기, 광도파관 및 집적 광학 분야에서 광범위하게 응용되고 있습니다.

2. 기판과 에피택셜 필름 사이의 열팽창 계수 매칭: 열팽창 계수의 정합은 매우 중요합니다. 열팽창 계수의 에피택셜 필름과 기판 재료의 차이가 너무 크면 에피택셜 필름의 품질이 저하 될뿐만 아니라 장치의 손상으로 인한 열로 인해 장치의 작업 과정에서도 발생할 수 있습니다.

3. 기판과 에피택셜 필름의 화학적 안정성이 일치합니다: 기판 재료는 화학적 안정성이 우수해야 하며, 가공 중 안정성과 비분해를 유지하면서 에피택셜 필름을 보호해야 합니다.

4. 재료의 준비 용이성 및 비용: 대량 생산에 투입되기 위해서는 기판 재료의 준비가 간단한 공정과 가능한 한 낮은 비용이 필요합니다.

그림 3 1000°C에서 GGG의 XRD 패턴

2.3 준비

대부분의 자성 버블 메모리는 가돌리늄 갈륨 가넷 (GGG) 기판 위에 준비됩니다. 이러한 기판은 캐리어 역할뿐만 아니라 자기 저장 층의 에피택셜 성장을 위한 핵 역할도 합니다. 기판 구조의 결함은 에피택셜 층에서 재현되기 때문에 기판은 매우 균일해야 합니다. 따라서 GGG 자체의 제조 공정 기술은 품질을 보장하기 위해 매우 완벽해야 합니다. GGG의 가장 일반적인 준비 방법은 인장 방법이며 인장 준비 공정에서 가장 중요한 두 가지 측면은 온도와 속도 제어입니다.

1. 온도 제어: 용융물의 온도 제어는 인장 방법의 결정 성장 과정의 핵심입니다. 용융물의 온도 분포는 고체-액체 계면에서 융점 온도를 유지하고 시드 결정 주변의 용융물이 어느 정도 과냉각되고 나머지 용융물은 과열 된 상태로 유지되도록하는 데 필요합니다. 이러한 방식으로 용융물이 단결정으로 배열된 시드 결정의 구조에 따라 계면에서 다른 핵, 원자 또는 분자를 생성하지 않도록 보장합니다. 어느 정도의 과냉각을 유지하려면 결정이 성장하기 위해 성장 계면이 응고점의 등온 표면에서 더 낮은 온도로 지속적으로 이동해야 합니다. 또한 용융물의 온도는 일반적으로 실온보다 훨씬 높기 때문에 용융물을 적절한 온도로 유지하기 위해 히터에 의해 지속적으로 열이 공급되어야 합니다.

2. 리프팅 속도: 리프팅 속도는 결정 성장 속도와 품질을 결정합니다. 적절한 회전 속도로 용융물은 좋은 혼합을 생성하고 방사형 온도 구배를 줄여 과냉각 목적의 구성 요소를 방지 할 수 있습니다. 일반적인 리프팅 속도는 시간당 6-15mm입니다.

또한 GGG 재료 자체의 성장으로 인해 결정에 안개가 자욱한 흰색 입자가 생성되어 광학 사용에 영향을 미치는 경우가 있습니다. 이와 관련된 기술적 이유와 개선 방안도 모색 중입니다.

그림 4 GGG 결정에 가끔 안개가 낀 흰색 반점이 나타나는 경우

2.4 응용 분야(냉장 보관)

자성 물질은 인가된 자기장에서 자기 모멘트의 방향이 변화합니다. 이 과정에는 자기 엔트로피의 변화, 즉 외부 자기장에서 자기 모멘트의 방향 전환으로 인한 엔트로피 변화가 수반됩니다. 열 교환은 자성 물질이 자기장에서 자기 엔트로피 변화를 겪을 때 발생합니다. 자기 냉동 시스템을 설계하면 열을 흡수하면서 물체를 냉각시킬 수 있습니다. 자기 냉동 산업에서 GGG는 헬륨-질소 액화 전 단계 냉동뿐만 아니라 시장 He II 흐름의 20K 이하 온도 영역에서 성공적으로 적용되었습니다.

그림 5 원주형 GGG 결정

3SGGG&NGG

3.1 SGGG

스칸듐 가돌리늄 갈륨 가넷 (SGGG, 화학식 Gd3Sc2Ga3O12) 결정은 GGG 결정에서 Ga3+의 일부를 Sc3+로 치환하여 얻은 결정으로 구조와 모양이 유사하며 동일한 방법으로 생산됩니다. GSGG에는 몇 가지 장점이 있습니다:

1. GGG와 마찬가지로 고품질의 코어리스 GSGG 결정은 성장하기 쉽고 작은 표면의 성장으로 인한 불순물 및 응력의 결함을 피할 수 있습니다.

2. Sc 함유 가닛은 열전도율이 높고 물리화학적 특성이 안정적이며 방열 효율이 높으며 표면 과열로 인한 문제를 효과적으로 방지합니다.

표 1 GGG와 SGGG의 특성 비교

3.2 NGG

네오디뮴 갈륨 가넷 (NGG) 결정은 GGG 결정에서 Ga3+의 일부를 Nd3+로 치환하여 얻은 결정입니다. 이 결정의 장점은 주로 다음과 같습니다:

1. 결정은 비교적 성장하기 쉽고 결정 성장 속도는 5mm/h에 달할 수 있습니다.

2. 결정은 응력 집중없이 불순물이 거의없는 평평한 계면에서 성장할 수 있으므로 고출력 결정 응용 분야를위한 대형 슬랫을 쉽게 준비 할 수 있습니다.

3. 이트륨 알루미늄 가넷(YAG) 결정의 Nd는 0.1-0.2의 분할 계수를 가지며, GGG 결정에서 Nd의 분할 계수는 0.52까지 높아 고농도 도핑 레이저 결정의 제조에 도움이 되어 펌프 출력을 증가시킵니다 ^[1].

4. 레이저 이득 매체 네오디뮴 유리와 비교하여 Nd : GGG 결정은 기계적 강도가 높고 열전도율이 높기 때문에 더 짧은 시간에 결정을 냉각 할 수 있습니다.

5. Gd3+에 대한 Nd3+의 동형 치환은 Nd3+ 레이저의 상위 에너지 수준에서 발광 단편화를 효과적으로 방지합니다 ^[2].

6. Nd : GGG 결정의 레이저 효율은 일반적으로 사용되는 고출력 레이저 이득 매체 인 네오디뮴 유리보다 두 배 높으며 최대 100kW의 출력을 가진 단거리 전략 레이저 무기에서 레이저 작동 매체로 사용할 수 있습니다 ^[3,4].

표 2 GGG, SGGG, NGG의 특성 비교

4 결론

GGG, SGGG 및 NGG는 우수한 광학적 특성으로 인해 레이저 기술, 광학 장치, 자기 응용 분야 및 기타 첨단 기술 분야에서 널리 사용됩니다. 가장 널리 연구되고 응용되는 물질인 GGG는 레이저 공명 공동, 자기 광학 장치 레이저 결정 등의 분야에서 다양한 응용 분야에 사용되고 있으며, SGGG와 NGG는 원래의 특성에서 우수한 측면을 가지고 있으며 스칸듐과 네오디뮴에 두 종류의 희토류 원소를 도핑하여 더 많은 응용 분야가 개척되기를 기다리고 있습니다. 두 가지 희토류 원소인 스칸듐과 네오디뮴의 도핑으로 인해 SGGG와 NGG는 GGG의 원래 특성보다 우수한 측면을 가지고 있으며 더 많은 응용 분야가 탐구되기를 기다리고 있습니다.

참고 문헌

[1]ZIMIK K, CHAUHANR R, KUMARR, et al1．Czochralski 기술에 의한Nd3+：Gd3Ga5O12(Nd : GGG) 결정의성장에 대한연구 다른 가스 유속과 평평한 계면 성장을위한 다른 도가니 크기 사용 [J]． JournaIof CrystaIGrowth，2013，363(3)：76-79．