磁光效應(yīng)在光信息存儲、光通信、激光等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用,自上個世紀(jì)以來由于其應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大成為研究者探索的熱點,磁光效應(yīng)理論發(fā)展也同步進行,目前磁光效應(yīng)宏觀理論已建立并得到研究者的公認(rèn),磁光效應(yīng)宏觀上表現(xiàn)為偏振光入射后在材料中傳播時分解為左旋光與右旋光,由于兩者在材料中傳播速度不同導(dǎo)致出射時合成偏振光與入射時產(chǎn)生一個偏角,但微觀機理仍存有爭議,目前理論證明,微觀上法拉第角是由于材料介電常數(shù)張量非對角元決定的,但材料介電張量非對角元又與材料的躍遷能級與躍遷形式有關(guān),因此通過第一性原理可以得到材料的能帶結(jié)構(gòu),進而獲取材料的微觀性質(zhì),對石榴石材料磁光效應(yīng)增大的微觀機理進行解釋。本文以Lu_xBi_3-xFe₅O₁₂,（x=0,1,2,3）材料為例,對該材料進行第一性原理計算以及射頻磁控濺射實驗制備,通過理論、仿真、實驗的角度對薄膜的磁光效應(yīng)進行分析。首先利用Material Stadio軟件構(gòu)建了Lu_xBi_3-xFe₅O₁₂

【文章來源】：電子科技大學(xué)四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：59 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

磁光效應(yīng)宏觀效應(yīng)示意圖

電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文2同構(gòu)成了磁光效應(yīng)的經(jīng)典理論，克爾效應(yīng)為偏振光在磁光材料表面被反射時，其反射束的偏振面發(fā)生一個與磁光方向有關(guān)的旋轉(zhuǎn)；法拉第效應(yīng)宏觀表現(xiàn)為偏振光通過磁性物質(zhì)時偏振光偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，如圖1-1所示偏振光通過材料時分解為左旋光與右旋光在材料中傳輸，由于材料對左旋光與右旋光的折射率不同，導(dǎo)致左旋光與右旋光傳輸速度不同，進而導(dǎo)致左旋光與右旋光出射時合成后偏正面發(fā)生了偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。而法拉第效應(yīng)的量子力學(xué)解釋則認(rèn)為磁光效應(yīng)是由于晶體內(nèi)部的部分離子在光的作用下發(fā)生光躍遷的現(xiàn)象，即光和磁光材料在外磁場下產(chǎn)生相互作用，這個作用與光子躍遷息息相關(guān)，但就具體解釋目前還未有統(tǒng)一的結(jié)論。圖1-2磁光理論框架磁光效應(yīng)宏觀經(jīng)典理論已經(jīng)建立并有了公認(rèn)的結(jié)論，微觀部分目前仍有爭議，有一種說法指出磁光效應(yīng)的產(chǎn)生是由于磁偶極子與電偶機子躍遷導(dǎo)致的，F(xiàn)redericJ.Kahn[1]等人研究指出，在200nm-800nm，電偶極子躍遷占據(jù)主導(dǎo)地位，而在鉍摻雜石榴石結(jié)構(gòu)中，由晶體場效應(yīng)導(dǎo)致的鐵離子3d軌道、氧離子的2p軌道以及鉍離子的6p軌道產(chǎn)生了能級分裂，從而導(dǎo)致躍遷能級的基態(tài)與激發(fā)態(tài)差生分裂。因而在考慮磁光效應(yīng)在220nm-780nm波段的微觀機理時可以主要考慮電偶機子躍遷的情況，電偶極子躍遷的方式又分為順磁性躍遷與抗磁性躍遷，如圖1-3所示，順磁性躍遷與抗磁性躍遷最大的區(qū)別就是簡并軌道位置，當(dāng)順磁性躍遷情況下是由簡并的基態(tài)軌道躍遷到激發(fā)態(tài)軌道、抗磁性躍遷

第一章緒論3圖1-3順磁性躍遷與抗磁性躍遷示意圖則是由基態(tài)軌道躍遷到簡并的激發(fā)態(tài)軌道。對于躍遷類型研究者們也存有爭議，Dionne[2]等人認(rèn)為抗磁性躍遷是解釋鉍摻雜的有效途徑，因為在超交換場下只會有自旋單重基態(tài)，之后dionne[3]又提出鉍摻雜磁光材料法拉第效應(yīng)是由于鐵離子先與簡并激發(fā)態(tài)軌道作用后又與鉍離子進一步作用，而在波長大于780nm時黃敏等人在順磁性躍遷模型的基礎(chǔ)上計算了磁偶極子躍遷，認(rèn)為在波長大于780nm時磁偶極子躍遷占據(jù)了主導(dǎo)地位。由于電偶機子與磁偶極子在躍遷時有著不同的作用機理，因此可以線性表示，但實驗發(fā)現(xiàn)，Bi:YIG在220nm-780nm波段比法拉第旋角并不是隨著Bi3+離子摻雜量增加而成線性增大的趨勢，而是在510nm波長處達到極值[4-5]，可見在鉍摻雜后作用的微觀機理有待探究。1.3石榴石晶體結(jié)構(gòu)石榴石結(jié)構(gòu)是指R3Fe5O12（簡稱RIG），R通常為稀土元素（Y、Lu、Tm、Ga、Te等），其中由4個O離子構(gòu)成了四面體位（24d位）；6個O離子構(gòu)成了八面體位（16a）以及8個O離子構(gòu)成的十二面體位（24c），最初釔鐵石榴石由于具有較低鐵磁共振線寬、地方飽和磁化強度而受到研究者的關(guān)注，尤其是在稀土摻雜石榴石RIG后在不影響材料鐵磁共振線寬等性能的情況下提高了材料的光學(xué)性能，因此稀土摻雜石榴石薄膜成為研究者關(guān)注的熱點。石榴石結(jié)構(gòu)中一個晶胞包含160個原子，空間群屬于Ia3d，其中石榴石結(jié)構(gòu)中磁性主要由鐵離子提供，分子式R3Fe5O12中三個鐵離子占據(jù)四面體位又稱作Fetet，兩個鐵離子占據(jù)八面體位，又稱做Feoct，兩個位置的鐵離子自旋狀態(tài)相反，使R3Fe5O12呈現(xiàn)亞鐵磁性，而稀土離子通常為非磁性離子。因此石榴石結(jié)構(gòu)的磁性通常可由式1-1計算：M=|Md-Ma-Mc|=|3MFetet-2MFeoct-MR3+|=|MFe-

【參考文獻】：
期刊論文
[1]法拉第磁光效應(yīng)的原理[J]. 徐士濤,張麗琴,張金峰.  佳木斯職業(yè)學(xué)院學(xué)報. 2020(03)
[2]磁光效應(yīng)簡介及其應(yīng)用[J]. 陳俊如.  科技風(fēng). 2018(04)
[3]磁光材料的典型效應(yīng)及其應(yīng)用[J]. 章春香,殷海榮,劉立營.  磁性材料及器件. 2008(03)
[4]YIG石榴石磁光薄膜材料的最新進展[J]. 王巍,蘭中文,姬洪,王豪才.  電子元件與材料. 2002(06)
[5]Bi3+、Ce3+離子極大增強鐵石榴石磁光法拉第效應(yīng)微觀機制研究[J]. 黃敏,趙渭忠,張守業(yè).  材料科學(xué)與工程. 2001(01)



本文編號：2920053