[发明专利]大尺寸掺杂YIG单晶薄膜材料及制备方法

说明书

本发明公开了大尺寸掺杂YIG单晶薄膜材料及制备方法，属于薄膜材料技术领域，其化学分子式为Y_3‑xA_xFe_5‑yB_yO₁₂，其中，A为离子半径大于Y离子的比如La、Gd、Tb、Dy、Nd、Eu中的至少一种金属元素，B为用于对Fe离子位进行部分替换的比如Al、Ga、Pt、Ge、Si、Zr、Sc中的至少一种元素；本发明通过液相外延法制备出3英寸厚度20μm以上的饱和磁化强度800‑1750Gs的铁氧体单晶薄膜，薄膜的饱和磁化强度范围较宽，有利于实现单晶薄膜在多频段微波器件中的应用；薄膜的粗糙度RMS可以降至0.37nm，且与GGG衬底晶格匹配良好，生产效率显著提高。

技术领域

本发明涉及薄膜材料技术领域，尤其涉及大尺寸掺杂YIG单晶薄膜材料及制备方法。

背景技术

基于铁氧体单晶块材的元器件具有优良的微波性能，但体积大、重量大、结构复杂、不利于系统集成；而基于单晶薄膜材料的微波元器件则具有结构简单、体积小、易于集成、且批次性能一致性更好等优点。在实际应用中，采用微波单晶薄膜材料制成的滤波器组件的体积大为减小，实现了器件的片式化，从而大大的减小整个系统的体积，同时，因为YIG系列的磁性材料在近红外波段有较高的透过率以及法拉第旋光系数，被广泛应用于5G通讯及光纤通讯领域。

目前，多使用射频（RF）磁控溅射法、脉冲激光沉积法（PLD）和液相外延法（LPE）来制备石榴石铁氧体单晶薄膜。射频溅射的沉积速率低，溅射气压高，气氛分子也有可能对薄膜造成污染；PLD同样生长缓慢，且膜层表面粗糙度大，不合适大面积生长薄膜。而液相外延法作为生长石榴石单晶薄膜的常规技术，可以制备大面积薄膜，生长的外延膜表面平整、缺陷较少、晶体纯度高，使得磁性能和损耗都能够接近理论值，并且可以进行多种元素掺杂。

但是，现有的YIG单晶薄膜是用液相外延法在GGG衬底上异质外延生长的，存在以下问题：制备出的薄膜饱和磁化强度范围窄，较厚的薄膜尺寸小，因而生产效率低。

发明内容

本发明的目的之一，就在于提供一种大尺寸掺杂YIG单晶薄膜材料，以解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种大尺寸掺杂YIG单晶薄膜材料，其化学分子式为Y_3-xA_xFe_5-yB_yO₁₂，其中，A为离子半径大于Y离子的至少一种金属元素，B为用于对Fe离子位进行部分替换的至少一种元素， x的取值范围为0≤x≤0.3；y的取值范围为0≤y≤0.7。

作为优选的技术方案：所述A选自La、Gd、Tb、Dy、Nd、Eu中的至少一种。

作为优选的技术方案：所述B选自Al、Ga、Pt、Ge、Si、Zr、Sc中的至少一种。

LPE掺杂YIG单晶薄膜法属于异质外延，制备技术较为复杂，配方、温度、衬底都会对薄膜生长结果产生影响，特别是掺杂薄膜的制备，需要对掺杂离子的种类和掺杂量进行配对，不同的掺杂离子和掺杂量对薄膜性能影响不同。要改变薄膜的饱和磁化强度，就需要在Fe离子位进行掺杂替换，但Fe离子位掺杂替换会使薄膜晶格常数发生变化，液相外延作为一种异质外延技术，需要薄膜与衬底的晶格匹配度高，不然无法生长，所以同时要在Y离子位进行掺杂替换，调整薄膜的晶格常数，这就对掺杂替换离子的种类和掺杂替换量提出了很高的要求；