Substrats cristallins GGG ou SGGG : Quel est le meilleur choix pour vos besoins techniques ?

1 Introduction

Legrenat de gad olinium et de gallium (GGG) et le grenat de samarium et de gadolinium (SGGG) sont des cristaux à structure grenat qui possèdent des propriétés optiques uniques, telles que l'optique non linéaire et les propriétés magnéto-optiques, ainsi que des propriétés magnétiques et thermiques. Ils sont donc largement utilisés en optoélectronique, dans les capteurs et dans le magnétisme. Dans l'ensemble, en raison de l'introduction de Sm3+, le SGGG possède des propriétés optiques, magnétiques, thermiques et électriques plus intenses que le GGG, mais en termes de stabilité et de maturité de développement, le GGG reste le courant dominant à l'heure actuelle.

2 La structure cristalline du GGG et du SGGG

Les cristaux de grenat de gadolinium et de gallium (GGG) appartiennent au système cristallin cubique, un type de système cristallin isométrique. La constante de réseau est de 12,383 Å et la cellule cristallographique est constituée de 8 unités moléculaires chimiques. En tant que dérivé du système cristallin du grenat, sa structure cristalline est similaire à celle du grenat, avec Gd2+ et Ga3+ occupant respectivement les positions ioniques à valence positive, en conjonction avec un ortho-octaèdre ou un cadre tétraédrique fourni par [GaO4]4-. Comme le grenat, le GGG a généralement un comportement de cristallisation ortho-dodécaédrique, et un icositetraèdre deltoïdal est également présent.

Le grenat de samarium-gadolinium-gallium (SGGG) est un cristal obtenu en remplaçant une partie du Ga3+ par du Sm3+ dopé dans le GGG, dont l'apparence et la structure cristalline sont similaires à celles du GGG. Le rayon ionique de Sm3+ est plus grand que celui de Ga3+, ce qui fait que la substitution de Ga3+ par Sm3+ à la même position entraîne une légère distorsion de la structure cristalline, ce qui provoque un petit changement dans la structure cristalline du SGGG, entraînant une différence partielle dans les propriétés.

3 Propriétés optiques du GGG et du SGGG et applications connexes

3.1 Propriétés optiques non linéaires

Le GGG et le SGGG appartiennent au système cristallin cubique et leurs structures cristallines ne présentent pas de symétrie centrale ; dans la structure non centrosymétrique, la symétrie d'inversion centrale est brisée en même temps, ce qui confère au GGG des effets non linéaires de second ordre, tels que la génération de seconde harmonique (SHG) et l'oscillation paramétrique optique (OPO), etc. Les GGG et SGGG ont donc des propriétés optiques non linéaires et ont des applications importantes dans les lasers ainsi que dans la communication et la détection.

3.1.1 Applications liées aux propriétés optiques non linéaires du GGG

Technologie laser : Le GGG peut être utilisé pour fabriquer des oscillateurs paramétriques optiques (OPO) et des générateurs de seconde harmonique (SHG), qui peuvent être utilisés pour doubler la fréquence de sortie du laser, mélanger les fréquences et d'autres processus dans le traitement laser, l'analyse spectrale, l'imagerie biomédicale, etc.

Systèmes LIDAR : GGG peut également être utilisé pour fabriquer des optiques non linéaires dans les systèmes LIDAR pour la modulation, la fusion et la détection des faisceaux laser. Les systèmes LIDAR sont largement utilisés dans la télédétection, l'exploration géologique, l'aérospatiale et d'autres domaines.

Communication et détection optiques : Le GGG peut être utilisé pour fabriquer des dispositifs tels que des modulateurs optiques et des commutateurs optiques, qui sont utilisés pour moduler et contrôler la transmission et le traitement des signaux optiques afin de réaliser une transmission de signaux optiques à haut rendement et à faible perte. Il peut également être utilisé pour fabriquer des capteurs optiques, qui servent à détecter des paramètres tels que l'intensité, la fréquence et la phase des signaux optiques. Les capteurs à base de GGG sont largement utilisés dans les domaines de la surveillance de l'environnement, du diagnostic médical et du contrôle industriel.

3.1.2 Propriétés optiques non linéaires améliorées du SGGG

Les cristaux de SGGG sont dopés avec du Sm3+ pour remplacer une partie du Ga3+ dans les cristaux de GGG, ce qui entraîne une légère modification de la structure cristalline et certains changements dans les propriétés optiques. L'introduction de Sm3+ ajoute un mécanisme de polarisation non linéaire, ce qui améliore la réponse optique non linéaire des SGGG, qui présentent des coefficients optiques non linéaires plus importants dans certaines applications optiques non linéaires, ainsi qu'une efficacité de conversion plus élevée.

Cela ne signifie pas que les SGGG peuvent complètement surpasser et remplacer les GGG dans les applications d'optique non linéaire. En raison de l'introduction de Sm3+, tout en apportant des coefficients optiques non linéaires plus élevés, le changement de structure cristalline entraîne une légère diminution de la stabilité des performances optiques du SGGG. Ce changement rend le SGGG plus sensible aux conditions environnementales dans les scénarios d'application, de sorte que lorsque la demande de stabilité et de cohérence est élevée, le SGGG reste supérieur au GGG. Le GGG reste un meilleur choix que le SGGG lorsque les exigences en matière de stabilité et d'uniformité sont élevées.

3.2 Propriétés magnéto-optiques

Le GGG et le SGGG ont des propriétés magnéto-optiques. L'effet magnéto-optique est un phénomène dans lequel les propriétés optiques d'un matériau sont modifiées sous l'effet d'un champ magnétique appliqué. Ce changement peut se manifester par une modification de l'état de polarisation, de l'indice de réfraction ou de l'absorption de la lumière, etc. L'effet magnéto-optique du GGG est principalement dû à l'interaction de sa structure cristalline et de ses ions internes, ainsi qu'à l'influence du champ magnétique appliqué. Sous l'action d'un champ magnétique, le spin et le mouvement orbital des ions (généralement des ions de métaux de transition) dans les cristaux magnéto-optiques changent, ce qui entraîne des modifications des propriétés optiques. Sous l'effet d'un champ magnétique, les spins des ions dans les cristaux magnéto-optiques interagissent avec les photons, ce qui entraîne une rotation de la direction de polarisation de la lumière. Ce phénomène est également connu sous le nom d'effet Faraday.

3.2.1 Applications liées à l'effet magnéto-optique

Stockage magnéto-optique : L'effet magnéto-optique du GGG est largement utilisé dans les dispositifs de stockage magnéto-optique. En utilisant l'effet magnéto-optique, il est possible d'écrire, de lire et d'effacer des informations sur le support. Les dispositifs de stockage magnéto-optiques présentent les avantages d'une densité de stockage élevée, d'une grande vitesse et d'une stabilité à long terme, et ont donc d'importantes perspectives d'application dans le domaine du stockage des données.

Dispositifs optiques pour la communication et la détection : Les GGG et SGGG peuvent également être utilisés pour fabriquer des dispositifs optiques tels que des modulateurs et des commutateurs optiques. Ces dispositifs peuvent réaliser la modulation et le contrôle des signaux optiques, qui sont utilisés dans les domaines de la communication optique, du traitement des signaux optiques et de la détection optique. L'effet magnéto-optique permet de moduler et de contrôler les signaux optiques dans les fibres optiques pour des applications telles que la détection et l'imagerie des champs magnétiques. Les capteurs magnéto-optiques à fibre optique présentent les avantages d'une grande sensibilité, d'une vitesse de réponse rapide et d'une forte capacité anti-interférence, ce qui leur confère un large éventail d'applications dans le domaine de la mesure et de l'imagerie des champs magnétiques.

Isolateurs optiques : L'effet magnéto-optique peut également être utilisé pour fabriquer des isolateurs optiques, qui servent à empêcher la propagation inverse et la diaphonie des signaux optiques. Les isolateurs optiques jouent un rôle important dans les communications optiques et les dispositifs optiques pour améliorer la stabilité et les performances du système.

3.2.2 Effets améliorés dans le SGGG

Comparé au GGG, le SGGG aura un effet magnéto-optique plus évident en raison du dopage de Sm3+ et de ses électrons non appariés en tant qu'ion de métal de transition. En même temps, la stabilité et l'application correspondantes, les deux ont toujours leurs points forts et se complètent.

3.3 Réponse térahertz

La réponse térahertz fait référence à la réponse d'un matériau à la bande térahertz (généralement définie comme une onde électromagnétique située entre l'infrarouge et les micro-ondes, avec une gamme de fréquences d'environ 0,1 THz à 10 THz). La bande des térahertz possède de nombreuses propriétés particulières, notamment une forte pénétration, la non-ionisation et des propriétés d'absorption uniques pour les tissus biologiques et de nombreux matériaux, etc. La réponse magnéto-optique du GGG et du SGGG dans la gamme de fréquences de 30 G Hz à 1 T Hz, ainsi que le tenseur de réponse du matériau, ont été étudiés par Mohsen Sabbaghi et al. Dans cette gamme spectrale, les matériaux présentent des caractéristiques non dispersives et une atténuation minimale du signal optique. De manière remarquable, dans des conditions de basse température, des rotations de Faraday térahertz prononcées sont observées dans les échantillons (S)GGG. Ce comportement gyroélectrique notable est probablement lié à l'état paramagnétique de spin élevé présenté par les ions Gd3+ dans la structure du matériau.

3.4 Photoluminescence

L'analyse comparative des spectres RPE, d'absorption optique (OA) et de luminescence des monocristaux de GGG a été étudiée par N. Mironova-Ulmane et al. Dans les cristaux irradiés avec un flux maximal de neutrons, les spectres RPE ont révélé plusieurs défauts paramagnétiques. Dans les GGG non irradiés, la photoluminescence est marquée par des impuretés non régulées. Cependant, lors de l'irradiation neutronique du GGG, un large spectre de luminescence asymétrique apparaît, avec un pic notable allant de 725 à 733 nm. Ce pic s'intensifie proportionnellement à la fluence d'irradiation. Cette bande spectrale est donc probablement attribuable à l'émergence de défauts induits par l'irradiation dans le matériau.

La technologie de la photoluminescence a un large éventail d'applications dans l'analyse biologique et chimique (marquage fluorescent, spectroscopie de fluorescence, etc.) et les capteurs optiques, en plus d'une large gamme de dispositifs luminescents tels que les dispositifs fluorescents, l'éclairage LED, etc. La recherche sur les propriétés pertinentes des GGG a conduit à la possibilité d'un certain développement de ses domaines d'application à l'avenir.

4 Propriétés magnétiques des GGG et SGGG et applications connexes

Comme indiqué précédemment, les GGG et SGGG ont des propriétés magnéto-optiques, et l'apparition des propriétés magnéto-optiques est basée sur l'aimantation des substances dans un champ magnétique et le changement des propriétés optiques qui en résulte. Par conséquent, la propriété de magnétisation des GGG et SGGG est également une base importante pour leur large application. Les GGG et SGGG présentent un ferromagnétisme dû au moment magnétique du Gd3+, qui manifeste le phénomène d'aimantation ainsi que l'effet magnéto-optique sous un champ magnétique appliqué.

Comme les électrons de la couche externe de Gd3+ sont principalement des électrons 4f, ces électrons ont plusieurs électrons de spin non appariés dans leurs orbitales atomiques, ce qui donne des atomes de gadolinium avec un moment angulaire de spin élevé. Ces électrons de spin non appariés confèrent aux atomes de gadolinium un moment magnétique spontané important à température ambiante, ce qui leur confère un magnétisme prononcé. La structure cristalline de GGG et SGGG est un système cristallin cubique, qui appartient au cristal hexagonal. Dans cette structure cristalline, la direction du spin du Gd3+ est ordonnée à l'intérieur du cristal, ce qui entraîne la formation de domaines magnétiques. Cet arrangement ordonné contribue à la formation de propriétés magnétiques observables à l'échelle macroscopique.

En termes d'applications, la croissance de films de grenat ferromagnétique sur des substrats GGG peut être utilisée pour fabriquer des dispositifs magnéto-optiques et des mémoires à domaines magnétiques à bulles. La croissance de semi-conducteurs composés III-V sur des substrats GGG peut être utilisée pour des systèmes de communication optique tels que des isolateurs magnéto-optiques intégrés et des diodes laser ; des circuits magnéto-optiques intégrés avec des émetteurs, des détecteurs, des isolateurs, des circulateurs, des décalages mutuels sans intersection, des modulateurs, etc. intégrés ; des enregistrements magnétiques avec des têtes de lecture magnétiques intégrées ; et la magnétométrie, entre autres.

5 Propriétés thermiques du GGG et du SGGG et applications connexes

Les cristaux synthétiques à structure de grenat, au-delà de leur utilité établie dans l'électronique quantique, ont des applications omniprésentes dans divers domaines scientifiques et technologiques. L'impératif d'examiner minutieusement les caractéristiques thermophysiques des grenats découle du rôle indispensable qu'ils jouent dans la facilitation de calculs techniques précis, essentiels à la conception et à l'optimisation des dispositifs associés. Sans une compréhension approfondie de ces propriétés, l'efficacité et la fiabilité de ces dispositifs restent difficiles à déterminer. D A Samoshkin et S V Stankus et al. ont étudié des données expérimentales nouvelles et fiables sur la capacité thermique du NGG et du GGG dans la plage de température à l'état solide de 300-975 K. Les résultats sont comparés aux données de la littérature existante sur la capacité thermique du NGG et du GGG. Les résultats expérimentaux ont été comparés aux données de la littérature. Pour la première fois, des données ont été obtenues pour l'intervalle de température 700-975 K. Dans les mêmes conditions, le coefficient de capacité thermique du GGG augmente progressivement avec l'augmentation de la température, et la tendance à l'augmentation ralentit progressivement, montrant une image de plus en plus lisse.

6 Préparation des GGG et SGGG

Lors de la fabrication de cristaux de GGG et de SGGG à l'aide de la méthode de Czochralski, un contrôle méticuleux de la température et du taux de levage est primordial.

Contrôle de la température : La gestion précise de la température à l'intérieur de la masse fondue est essentielle dans le processus de Czochralski. Il s'agit de maintenir une distribution de température qui assure le point de fusion à l'interface solide-liquide tout en créant un degré de sous-refroidissement autour des cristaux de semence. Ce sous-refroidissement empêche la formation de noyaux supplémentaires, ce qui facilite l'agencement ordonné des atomes ou des molécules dans une structure cristalline unique. L'apport continu de chaleur par le dispositif de chauffage est essentiel pour maintenir la matière fondue à la température requise, souvent nettement supérieure aux conditions ambiantes.

Taux de levage : La vitesse à laquelle le cristal est soulevé influence profondément son taux de croissance et sa qualité. Une vitesse de rotation optimale favorise un mélange efficace au sein de la matière fondue, minimisant les gradients de température radiaux et empêchant un refroidissement excessif des composants. En règle générale, une vitesse de levage de l'ordre de 6 à 15 mm par heure est utilisée pour obtenir des caractéristiques de croissance cristalline souhaitables.

Les cristaux de GSGG sans noyau de haute qualité sont faciles à produire et peuvent éviter les impuretés, les contraintes et autres défauts causés par la croissance de petites surfaces.

Des monocristaux de GGG présentant moins de 5 défauts/cm 2 causés par des inclusions d'iridium et des dislocations ont été obtenus par D. F. O'Kane et al. à l'aide d'un système de télévision de croissance cristalline de Czochralski contrôlé par ordinateur. L'atmosphère d'azote pur dans l'extracteur de cristaux a permis de réduire les inclusions d'iridium dans les cristaux extraits. Pendant la croissance des cristaux, la vitesse de rotation élevée des cristaux et la vitesse d'extraction lente ont empêché la formation de carottes ; des stries dans les cristaux ont pu être observées à cette vitesse de rotation élevée. Les dislocations sont évitées grâce à un bon contrôle du diamètre des cristaux pendant la croissance. Une procédure de gravure a été mise au point pour révéler les dislocations. Les paramètres du réseau de GGG n'ont pas changé pendant les 26 heures nécessaires à la croissance. L'excès de Ga203 dans la matière fondue n'a entraîné qu'une légère diminution du paramètre de réseau, tandis que l'excès de Gd203 a augmenté de manière significative le paramètre de réseau.

7 Conclusion

Le grenat de gadolinium et de gallium (GGG) et le grenat de samarium et de gadolinium (SGGG) sont des matériaux cristallins réputés pour leur structure de grenat, caractérisée par des propriétés optiques, magnétiques et thermiques remarquables. Ces attributs uniques, notamment l'optique non linéaire et les effets magnéto-optiques, les rendent indispensables dans divers domaines tels que l'optoélectronique, la technologie de détection et le magnétisme. Bien que les deux types de matériaux trouvent de nombreuses applications, le SGGG, renforcé par l'incorporation de samarium (Sm3+), présente des caractéristiques optiques, magnétiques, thermiques et électriques améliorées. Cependant, malgré ses propriétés supérieures, le GGG reste le choix le plus courant en raison de sa stabilité établie et de sa maturité de développement dans le paysage actuel de la science et de l'ingénierie des matériaux.

Lire aussi :

Innovations en optique : Le rôle des boules de grenat GGG, SGGG et NGG

Référence

[1]Mironova-Ulmane N ,Popov A ,Antuzevics A , et al. EPR and optical spectroscopy of neutron-irradiated Gd 3 Ga 5 O 12 single crystals[J]. Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, B,2020,480.

[2]Mohsen S ,W. G H ,Michael W , et al. Terahertz response of gadolinium gallium garnet (GGG) and gadolinium scandium gallium garnet (SGGG) [J]. Journal of Applied Physics,2020,127(2).

[3]Samoshkin A D ,A D S ,V S S . Heat capacity of neodymium- and gadolinium-gallium garnets[J]. Journal of Physics : Conference Series,2020,1677(1).

[4]O'Kane F D ,Sadagopan V ,Giess A E , et al. Crystal Growth and Characterization of Gadolinium Gallium Garnet[J]. Journal of The Electrochemical Society,2019,120(9).