yig晶体磁光性能的影响

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1、万方数据第55卷第5期2006年5月1000．．3290／2006／55(05)／2601．．05物理学报ACTAPHYSICASINICAV01．55，No．5，May，2006@2006Chin．Phys．Soc．掺Pb，Ga对Ce：YIG晶体磁光性能的影响*张国营1’+程勇1’张学龙2’夏天1’薛刘萍1’1)(中国矿业大学理学院，徐州221008)2)(上海理工大学医疗器械学院，上海200093)(2005年8月28日收到；2005年10月23日收到修改稿)研究了掺Pb，Ga对Ce：YIG晶体的晶场、交换作用和磁光Faraday效应的影响

2、．当Ga3+离子取代量为12％时，交换作用有效场减少5l％，导致ce”离子最低两个能级的占有概率之差减少49％．Ga3+离子取代，同时影响分子场和晶场；而Pb2+离子的取代，只影响晶体场，对分子场的影响甚微．掺杂对稀土石榴石晶体的磁光性能有较大影响．关键词：PbGaCe：YIG晶体，晶场，超交换作用，磁光效应PACC：7820L，75201．引言稀土石榴石(R：YIG)晶体，由于其大的本征磁光偏转，而具有优越的信息记录特性．目前国内外研究者在实验和理论研究方面，已做了大量有益的工作¨_51，已制成了各种磁光传感器、磁光光盘、磁光调制器等，促进了

3、现代高新技术的发展．但在实际应用中，仅考虑材料大的磁光偏转是不够的，还需要考虑材料的光吸收及材料的磁光优值(即比Faraday转动与光吸收系数之比)．为了提高磁光优值，减少光吸收，增强材料的环境适应性，往往在R：YIG中掺入少量的杂质，例如Pb，Ga等，以达到最佳效果．但是，由于Ga3+与pb2+的离子半径差异较大，它们在R：YIG中的取代位置不同，会严重影响材料内的晶体场(cF)和超交换作用，对材料的比Faraday转动(FR)造成影响．因此，研究这种影响的微观机理是必要的．本文研究表明，pb2+的掺入只影响材料的晶体场，对交换作用几乎无影响

4、；而Ga3+的掺入，极大地改变了材料的超交换作用，对晶体场也有一定影响．2．掺Pb对Ce：YIG晶体FR的影响Ce：YIG晶体的比FR是稀土离子的偏转值与钇*上海市自然科学基金(批准号：032R14071)资助的课题十E—mail：Zhan957168@sina．corn．ClYl铁石榴石(YIG)的偏转值之和．YIG晶体的磁光偏转值随入射光频率的变化已由实验给出№]．稀土ce3+离子的磁光偏转值可由下式给出"1：口Nrt(h-2+2)2”9—9h-c矗x∑n,g苦导矗舞‰“，，式中Ⅳ是单位体积内的稀土离子数，r。。是共振线宽，石是平均折射率，

5、60是入射光角频率，lg)和ln)分别是基态和激发态波函数，矗叫。。是激发态和基态能级之差，∑表示对基态和激发态能级求和；A。。可表示为A。。=f(ny—fg)f2一I

6、ian，它们分别表示为Hso=扎·S，(5)万方数据2602物理学报55卷日。=∑A幻r‘k(臼，9)，(6)I·qH。=2poPB日。·S，(7)式中车为自旋轨道耦合参数，Abr‘是晶场参数，日。是超交换作用等效的分子场，卢。是玻尔磁子．在Ce：YIG中，Ce3+离子的环境具有D：对称性，于是(6)式可简化为H。=∑Ak,orkK，。+∑A¨：r‘K—e=2．4．6^=2，4，6+∑A址。r‘K，。。+‰r6y6，舻(8)通过解久期方程

7、

8、(9il日∞+日。l访)一鼢口I

9、=0，(9)可求得ce3+离子的晶场劈裂能级和波函数．(9)式中19；

10、)，l9，)是自由离子对应的未微扰波函数．晶体内的超交换作用一般可等效为一个分子场日。，因此Ce：YIG中Ce3+离子经分子场作用后的能级和波函数可由解下述久期方程得到：11(驴j1日。。I≯，)一E7艿。il

11、=0，(10)式中l以)，l妒i)是晶场波函数．当pb2+离子进入YIG晶体后，由于其半径较大，Pb2+只能取代十二面体位置上的Y3+离子．考虑到Pb2+是非磁性离子，我们认为Pb2+离子的掺入对晶体内的交换作用影响不大，但较大半径pb2+的进入将造成晶体场的变化．因此我们对文献[5]采用的晶场参数做了适当的调整，调整后的晶场参数见表1

12、．表1在ceo015Pb0017Y2％F’e5012晶体中作用于ce“离子的晶场参数(cm“)由表1的晶场参数，通过解方程(9)可得PbCe：YIG中