ОПТИЧЕСКИЙ СПОСОБ КОНТРОЛЯ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ПРИМЕСЕЙ В МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ФЕРРИТАХ-ГРАНАТАХ Российский патент 2003 года по МПК H01L21/16 

Изобретение относится к физике твердого тела, в частности к магнитооптике, оптической спектрофотометрии, и может быть использовано для оценки концентрации ионов редкоземельных элементов (туллия, иттербия) в монокристаллических ферритах-гранатах, а также при отборе эпитаксиальных пленок ферритов-гранатов для производства высокодобротных приборов магнитооптики.

При выращивании монокристаллов редкоземельных ферритов-гранатов, эпитаксиальных пленок для ЦМД-техники и магнитооптики работа технологов неизбежно упирается в необходимость контроля концентрации редкоземельных ионов. Однако прямые методы измерения концентрации ионов Тm³⁺ и Yb³⁺ (рентгеноспектральный микроанализ, электронная ожеспектроскопия, электронная спектроскопия для химического анализа, вторичная ионная масс-спектроскопия) являются дорогостоящими, трудоемкими и в большинстве случаев - разрушающими. В связи с этим, авторами была поставлена задача найти дешевый экспресс-метод определения концентрации редкоземельных примесей (ионов туллия и иттербия) в монокристаллических ферритах-гранатах.

Существуют способы контроля примеси в кристаллах гранатов, в которых пики дополнительного поглощения (центры окраски) связывают с конкретным типом примеси (ростовых дефектов) (см. Н.С. Ковалева и др. Связь образования радиационных центров окраски с ростовыми дефектами в кристаллах ИАГ: Nd. "Квантовая электроника", 1991, т.8, 11, с. 2435-2438). Однако данные способы применимы только для лазерных кристаллов-гранатов на основе Y₃Al₅O₁₂ и не могут использоваться для контроля ионов Тm³⁺ и Yb³⁺ в монокристаллических ферритах-гранатах.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является "Оптический способ контроля качества монокристаллических ферритов-гранатов" (см. Костишин В.Г., Медведь В.В., Летюк Л.М., Шипко М.Н. Патент РФ на изобретение 2157576. Зарегистрирован в государственном реестре изобретений Российской Федерации 10 октября 2000 г.) Однако данный способ применим для качественного контроля ионов свинца в ферритах-гранатах и не может использоваться для контроля других примесей (в частности ионов туллия и иттербия).

Сущность предлагаемого способа состоит в следующем. При попадании в додекаэдрическую подрешетку граната ионов Тm³⁺ в его оптическом спектре поглощения появляется интенсивный пик с максимумом при λ_max = 0,685 мкм, а при попадании Yb³⁺ - пик с максимумом при λ_max = 0,971 мкм.

Было найдено, что концентрация ионов Тm³⁺ связана логарифмической функцией (фиг.1) с высотой пика (фиг.2), соответствующего иону Тm³⁺,
C_Tm = 1,123•ln(Н_Tm/Н₀) - 3,02;
где Н₀ = 1 см^-1;
Н_Tm - высота пика, соответствующего Тm³⁺ с максимумом при λ_max = 0,685 мкм, см^-1;
С_Tm - концентрация Т_m в атомах на формальную единицу граната, далее - формульные единицы (ф.е.).

Аналогично для Yb³⁺ зависимость имеет вид
С_Yb = 0,604•ln(Н_Yb/Н₀) - 0,86;
где Н_Yb - высота пика, соответствующего Yb³⁺ с максимумом при λ_max = 0,971 мкм, см^-1;
С_Yb - концентрация Yb, ф.е.

Эти зависимости позволяют по высоте пика дополнительного поглощения определить концентрацию примеси Тm³⁺ или Yb³⁺.

Таким образом, признаками ПРЕДЛАГАЕМОГО способа являются:
1. Регистрируются оптические спектры отражения и пропускания материала.

2. На основе этих спектров рассчитывают и строят спектры оптического поглощения.

3. Для регистрации спектров используется спектральный диапазон λ = (0,6÷1,1) мкм.

4. Определяется высота пика при λ_max = 0,685 мкм для Тm-содержащих пленок, высота пика при λ_max = 0,971 мкм для Yb-содержащих пленок.

5. По формулам С_Tm = 1,123•ln(Н_Tm/Н₀) - 3,02; С_Yb = 0,604•ln(Н_Yb/Н₀) - 0,86 определяется концентрация в формульных единицах ионов Тm³⁺, Yb³⁺.

На фиг. 1 представлена логарифмическая зависимость между концентрацией ионов Тm³⁺ и высотой пика, им соответствующего.

На фиг.2 показан способ определения высоты пика.

На фиг. 3 показан спектр поглощения эпитаксиальной монокристаллической пленки (BiTm)₃(FeGa)₅O₁₂ толщиной 7,74 мкм.

На фиг. 4 показан спектр поглощения эпитаксиальной монокристаллической пленки (YYbBi)₃(FeGa)₅O₁₂ толщиной 5,57 мкм.

Разработанный способ был реализован следующим образом. Образцами служили эпитаксиальные монокристаллические пленки (BiTm)₃(FeGa)₅О₁₂ и (YYbBi)₃(FeGa)₅О₁₂ толщиной h = (4÷13) мкм, выращенные методом жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ) на подложках Gd₃Ga₅О₁₂ ориентации (111), а также монокристаллические пластины Y_0,94Tm_1,2Bi_0,86Fe₅О₁₂ толщиной h=30 мкм и толщиной h = 60 мкм. Спектры пропускания и отражения регистрировались на спектрофотометре "Lambda-9" фирмы "Perkin-Elmer". Далее рассчитывался спектр поглощения, затем проводился анализ спектрального положения и высоты пиков и расчет концентрации ионов примеси.

Пример 1.

В качестве образца использовалась эпитаксиальная монокристаллическая пленка (BiTm)₃(FeGa)₅О₁₂ толщиной 7,74 мкм, выращенная методом ЖФЭ из раствора в расплаве на основе РbО-Вi₂О₃-В₂О₃. На фиг.3 представлен спектр поглощения пленки в диапазоне (0,6÷1,1) мкм.

Как видно из фигуры, в спектре поглощения наблюдается интенсивный пик с λ_max = 0,685 мкм и высотой Н_Тm = 200 см^-1.

По формуле С_Tm = 1,123•ln(Н_Tm/Н₀) - 3,02 находим С_Tm = 2,93 ф.е.

Пример 2.

В качестве образца использовалась эпитаксиальная монокристаллическая пленка (YYbBi)₃(FeGa)₅О₁₂ толщиной 5,57 мкм, выращенная методом ЖФЭ из раствора в расплаве на основе СаСО₃-Вi₂О₃-V₂О₅. На фиг.4 представлен спектр поглощения пленки в диапазоне (0,6÷1,1) мкм.

Как видно из фигуры, в спектре поглощения наблюдается интенсивный пик с λ_max = 0,971 мкм и высотой Н_Yb = 25 см^-1. По формуле С_Yb = 0,604•ln(Н_уb/Н₀) - 0,86 находим С_Yb = 1,08 ф.е.

Пример 3.

В качестве образца использовалась монокристаллическая пластина Y_0,94Tm_1,2Bi_0,86Fe₅О₁₂ толщиной h = 60 мкм. На фиг.5 представлен спектр поглощения указанного образца в диапазоне (0,6÷1,1) мкм.

Как видно из фигуры, в спектре поглощения образцов наблюдается интенсивный пик с λ_max = 0,685 мкм и высотой Н_Tm = 42 см^-1.

По формуле С_Tm = 1,123•ln(Н_Tm/Н₀) - 3,02 находим С_Tm = 1,123•ln(42) - 3,02 = 1,18 ф.е.

Изобретение относится к физике твердого тела, в частности к магнитооптике, оптической спектрофотометрии. В диапазоне длин волн λ=0,6-1,1 мкм регистрируют спектры оптического отражения и оптического пропускания образцов. На основе этих спектров рассчитывают и строят спектры оптического поглощения. По наличию и высоте пиков на определенных длинах волн на спектрах оптического поглощения с помощью специальных математических формул определяется концентрация туллия или иттербия. Техническим результатом изобретения является возможность определения концентрации редкоземельных примесей в монокристаллических ферритах-гранатах с минимальной концентрацией примесей. 5 ил.

Оптический способ контроля редкоземельных примесей в монокристаллических ферритах-гранатах, включающий их спектрофотометрию и анализ спектрального положения и высоты пиков, отличающийся тем, что в диапазоне длин волн λ= (0,6÷1,1) мкм регистрируют спектры оптического отражения и пропускания, рассчитывают спектр оптического поглощения, а концентрацию ионов туллия Тm и иттербия Yb рассчитывают по высоте характерных пиков поглощения:
Тm - по высоте пика с максимумом при λ= 0,685мкм, используя формулу
С_Tm = 1,123•1n(Н_Tm/Н₀) - 3,02,
где С_Tm - концентрация ионов Тm в формульных единицах;
Н_Tm - высота пика оптического поглощения ионов Тm в см^-1, Н₀= 1 см^-1,
Yb - по высоте пика с максимумом при λ= 0,971 мкм, используя формулу
C_Yb = 0,604•1n(Н_Yb/Н₀) - 0,86,
где С_Yb - концентрация ионов Yb в формульных единицах;
Н_Yb - высота пика оптического поглощения ионов Yb в см^-1, Н₀= 1 см^-1.