掺铋钇铁石榴石薄膜材料磁光性能的计算机辅助设计

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1、掺铋钇铁石榴石薄膜材料磁光性能的计算机辅助设计掺铋钇铁石榴石薄膜材料磁光性能的计算机辅助设计第13卷第2期1998年4月无机材料JournalofInorganicMaterialsVl0I.13.No.2Apr,1998掺铋钇铁石榴石薄膜材料磁光性能的计算机辅助设计’…电子鲁伽摘要9’6从介电张量表达式出发,利用相应模型对微观表达式进行简化,得到了法拉第旋转角和光吸收系数的计算公式.进一步建立丁描述Bi-YIG磁光性能的理论模型和参数数据库在此基础上实现了Bi-YIG磁光性能的计算机辅助设计.其结果与实验符合得较好.,一关键邶薄膜磁光雌…设计cn择

2、屉分类号O436.O4841引言目前,人们对掺铋钇铁石榴石(Bi-YIG)单晶磁光薄膜材料的研究,仍然采用传统炒菜”方法,显然,这种研究方法带有很大的偶然性和盲目性.虽然法拉第旋转谱和吸收谱的理论计算已有一些文献报道,但在这些工作中.有些计算的理论模型过于简单,他们】假定激发态的自旋轨道劈裂能A很小,而忽略了△的二次以上的量(没有考虑到由于Bi的掺入对△的影响);有的也只是在定性基础上半定量计算J_有的仅仅是为了解释某一具体的实验结果和微观机理而进行的拟台计算-5』l本文的目的就是在这些作者的研究工作基础上,从材料设计角度出发,尝试利用计算机对Bi.

3、YIG材料的磁光性能进行辅助设计.2理论2.1法拉第旋转角的计算公式到目前为止,关于磁光效应的微观理论都是采用以下关系式【e!±竺:±二!±:二(一u.+F2).q-4.r式中:m为电子的质量,e为电子的电荷,”为离子浓度,风是电子处于基态.的概率,=(2~rm:zbib)l:扛士iy)~bdvl.分别为右,左圆偏振光的振子强度,u为入射光的频率.法拉第旋转角为=(w/2ca)lm(z1)(2)1997-04?14收到初稿.05-0-5收到修改稿国家教委博士点基金资助项目(9348709)∑无机材料13卷对于铁磁性材料,由于自旋简并而产生的超交换场很

4、强,从而阻碍了塞曼劈裂,使基态变成自旋单态【7】-因此Bi-YIG的法拉第效应的主要来源为激发态由于自旋轨道相互作用劈裂2A而导致的抗磁型跃迁Is]于是Ⅳe2.mmJ,.一(岫一△i(j)),;(5)其中ⅣJ为单位体积中J次晶格位杂化轨道的数目.设Bi的含量为(分子式为Y3-=BiFe0.)则ⅣJ=16x/a.,n为Bi-YIG的晶格常数.2.2吸收系数的计算公式YIG的吸收系数a为【9】.=熹s,,1=.生堡!!(嵋一u.+r;)+4wr;式中c:光速,u:入射光角频率,￡:介电张量的虚部,N:单位体积的吸收中心数,电子电荷,m:电子质量,rn:跃

5、迁线宽,,日:振子强度,:电子处于态(9)的概率对Bi?YIG,用A表示自旋轨道劈裂能,则吸收系数为:抗磁型跃迁顺磁型跃迁.=cnmII2fwF2.r△)一u+r]+4r(+△).一+r1+:j.=4rNe~wrF肌t6一+J+4u+(6)可以看出,计算中所涉及的参数很多,除了入射光能量u是人为控制外,其它参数的取值是由外延膜的成分,结构决定的.另外,在计算过程中,不仅要考虑顺磁型,抗磁型跃2期韦江维,何华辉:掺铋钇铁石榴石薄膜材料磁光性能的计算机辅助设计253迁的贡献,而且还要考虑不同的次晶格内所有跃迁的贡献.基于以上原因,目前在这方面所进行的计算

6、只能是一些简单的计算,而且效率也很低-3程序设计及有关计算结果根据目前对Bi.YIG单晶薄膜材料磁光特性研究特点,程序功能设计如下:(1)给定Bi浓度,计算法拉第旋转角J(2)给定法拉第旋转角,璜测Bi-YIG中Bi的含量}(3)法拉第旋转谱的拟合计算;(4)法拉第旋转角随Bi浓度变化曲线的拟合计算;(5)吸收谱的拟合计算;(6)吸收系数随Bi浓度变化曲线的拟合计算;(7)磁光优值的辅助设计.另外,系统还设有与该材料领域有关的知识查询功能,如查询国内外一些典型实验(包括实验工艺,测试结果等);以及一个由经验,实验数据组成的数据库为各计算模块提供所需要

7、的参数,例如跃迁能uo,线宽r,自旋轨道劈裂能△和振子强度,等.为了检验以上的理论公式(模型)和程序设计的正确性,我们给出功能模块(3)的计算结果(如图1中的实线所示)和功能模块(5)的计算结果(如图2中的实线所示),并分别给出相应的实验曲线(如图1,2中的带圆圈的实线所示).咖nen酋v图1Y&BiFeBOl2的法拉第旋转谱Fig.I~adayrotationspectraofY&一BFeBO128o]Idcurve:calculatedvue.1Lne+c~rc]e:experi?meritBlvalue图2Ys一BFeBOl的吸

8、收谱Fig.2OpticalabsorptionspectraofY3BiFesO12SolidCUrVe: