靜磁波器件及其原材料的製作方法
2023-05-25 10:00:36 1
專利名稱：靜磁波器件及其原材料的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種靜磁波器件以及製造這種器件的材料。
含Fe的磁石榴石單晶歷來都用作靜磁波器件的材料。具體地說，Y3Fe5O12(以下簡稱「YIG」)單晶，其鐵磁半幅值(ΔH)小，因而用YIG製造靜磁波器件時能使輸入信號與輸出信號之間的信號差變小，所以YIG歷來得到廣泛的應用。
這種石榴石單晶是用例如液相外延生長法作為外延生長在諸如G3Gd5O12(以下簡稱「GGG」)之類的襯底上的薄膜製取的。
採用YIG單晶的靜磁波器件，其工作頻率約為2京赫。但靜磁波器件用作廣播衛星(BS)調諧器的雜波濾波器時，其工作頻率要求在數百兆赫至數十萬兆赫的範圍。
在靜磁波(MSW)模式下選用靜磁體積前進波(MSFVW)模式時，器件的工作頻率可用(1)式表示ω＝γ(Hex-N·4πMs)(1)其中，ω為頻率；γ為迴轉磁比；Hex為所加的磁場；N為去磁係數；4πMs為飽和磁化強度。
採用靜磁表面波(MSSW)模式時，器件的工作頻率可用(2)式和(3)式表示。
ω＝γ{Hi(Hi＋4πMs)}1/2(2)Hi＝Hex－N·4πMs＋Ha (3)其中，Hi為內部磁場；Hex為所加的磁場；N為去磁係數；4πMs為飽和磁化強度；Ha為各向異性磁場。
因此，為降低靜磁波器件的工作頻率，須要減小外部磁場或飽和磁化強度。
因此，本發明的目的是提供一種能在較低的頻率(例如數百兆赫至數十萬兆赫範圍的頻率)下工作的靜磁波器件以及用以製造該器件的材料。
本發明的靜磁波器件由通式為R3－xCaxma5－2y＋xZryMby－xO12的磁石榴石單晶薄膜組成，其中R為Y、La、Bi、Gd、Lu和Sc的起碼其中之一元素，Ma為Fe、Ga和Al的起碼其中之一元素，Fe為必不可少的成分，Mb為Mg和Mn的起碼其中之一元素，同時滿足以下不等式條件0≤x≤1，0.1≤y≤1，且x＜y。
在一個實施例中，磁石榴石單晶薄膜在以下任一個襯底上形成Gd3Ga5O12襯底、Sm3Ga5O12襯底和Nd3Ga5O12襯底。
規定磁石榴石單晶薄膜按上式配方組成可以製取飽和磁化強度值和鐵磁半幅值都小的磁石榴石單晶薄膜。此外，在GGG襯底、Sm3Ga5O12(以下簡稱SGG)襯底或Nd3Ga5O12(以下簡稱NGG)襯底上也可以製取飽和磁化強度值和鐵磁半幅值都小的磁石榴石單晶。
因此，採用磁石榴石單晶薄膜可以製取工作頻率低或通帶比採用一般磁石榴石薄膜的器件的低的靜磁波器件。
圖1是本發明一個實施例的雜波濾波器的透視圖。
下面就一些實施例進一步說明本發明的靜磁波器件。在這些實施例中，磁石榴石單晶薄膜用液相外延生長法形成，並用如此形成的薄膜製造靜磁波器件。實施例1製備GGG(Gd3Ga5O12)襯底，在該襯底上形成石榴石單晶薄膜。製備Fe2O3、Y2O3、CaCO3、Sc2O3、Lu2O3、Ga2O3、Al2O3、ZrO2、MnO和MgO，作為石榴石單晶薄膜的原材料。這些原材料與作為溶劑的PbO和B2O3混合，製取組成的如表1所示的石榴石單晶。這些製備出來的單晶分別裝入一個鉑坩堝中，在大約1200℃下徐徐加熱，使其熔化。
表1中，標有星號(*)的單晶是不在本發明的範圍內。
表1
保持如此製備好的石榴石原材料熔融料在大約900℃的恆定溫度下，使其進入過飽和狀態。將GGG襯底浸漬在熔融料中，邊轉動邊使其生長，歷時預定的時間。接著，將襯底從溶融料中抽出，使其高速轉動，以便藉助離心力將附著的溶料從石榴石單晶薄膜上除去，於是得出石榴石單晶薄膜。
得出的石榴石單晶薄膜用電子自旋共振(ESR)儀進行分析以測定其飽和磁化強度(4πMs)和鐵磁半幅值(ΔH)。此外還用X線衍射學測定其晶格常數。這些結果如表1中所示。
圖1示出了作為本發明最佳實施例靜磁波器件的一個實例的雜波濾波器。該雜波濾波器的GGG襯底1上形成有可按上述方法製備的石榴石單晶薄膜2。雜波濾波器的石榴石單晶薄膜2上還形成有一對電極3。為確定工作頻率而測定了濾波器的工作特性。測定結果也列於表1中。靜磁波器件工作頻率值中的(-)號表示這種組成用以製造靜磁波器件時其輸入功率損耗增加，且靜磁波器件沒有濾波器特性。
圖1中，符號H表示測定濾波器特性過程中外磁場的施加方向，Iin表示微波進入的方向，W表示靜磁表面波(MSSW)的傳播方向，Iout則表示微波產生的方向。
從表1中可以看到，本發明的石榴石單晶薄膜，在1460至370G的範圍，其4πMs值比1號試樣一般材料的YIG單晶薄膜的小，而其ΔH值則與該對比薄膜的類似。因此，製成的靜磁波器件的工作頻率可降低到400～1500兆赫的範圍而保持ΔH幾乎與一般YIG單晶薄膜同樣的值。
相反，ca的值即x的值超過1.0時(如22號試樣所示的那樣)，ΔH的值顯著增加，因而製造出來的靜磁波器件沒有濾波器特性。
從2號、4號、10號、14號和18號試樣可以看出，當Zr的值，即y的值低於約0.1時，4πMs幾乎等於YIG的相應情況，這是我們所不希望有的。另一方面，當Zr的值，即y的值超過約1.0時，如5號、9號、13號、17號和21號試樣所示的那樣，ΔH的值等於或大於3.5Oe，因而製造出來的靜磁波器件的輸入功率損耗增加，且沒有濾波器特性，從而傳這種材料不能用作靜磁波器件。實施例2製備NGG(Nd3Ga5O12)襯底、在襯底上形成石榴石單晶薄膜。製備石榴石單晶薄膜的原材料Fe2O3、Y2O3、Gd2O3、Lu2O3、ZrO2、MnO和MgO。將這些原材料與作為溶劑的PbO和B2O3混合，製取組成列於表2中的石榴石單晶薄膜。將如此製備好的單晶分別裝入鉑坩堝中，在大約1200℃下徐徐加熱，使其熔化。
保持如此製備好的石榴石原材料熔料在大約900℃的恆溫下，使其進入過飽和狀態。將NGG襯底浸漬在熔料中，邊轉動邊使其生長，歷時預定的時間。接著，將襯底從熔料中抽出，使其高速轉動，以便藉助離心力將附著的熔料從石榴石單晶薄膜上除去，於是得出石榴石單晶薄膜。表2中標有星號(*)的單晶是不在本發明的範圍內。
表2
用實施例1同樣的程序對所得出的石榴石單晶薄膜進行分析，以測定其飽和磁化強度(4πMs)、鐵磁半幅值(ΔH)和晶格常數。結果如表2中所示。
與實例1類似，用得出的石要榴石單晶薄膜製造雜波濾波器。為確定工作頻率，測定了濾波器的特性。結果如表2中所示。靜磁波器件工作頻率中的(-)號表示，這種組成用來製造靜磁波器件時，組成的輸入功率損耗增加，且靜磁波器件沒有濾波器特性。
從表2中可以看到，本發明的石榴石單晶薄膜，在500至1410G的範圍，其4πMs值比一般材料(即實施例1的1號試樣)的YIG單晶薄膜的類似。因此，製成的靜磁波器件的工作頻率可降低到600至1500兆赫的範圍。
相反，Zr的值，即y的值小於約0.1時，如23號試樣所示，4πMs的值幾乎等於YIG的相應的情況，這是我們所不希望有的。另一方面，當Zr，即y的值超過約1.0時，如26號試樣所示的那樣，ΔH的值等於或大於4.0Oe，且沒有濾波器特性，而因這種材料不能用作靜磁波器件。實例3製備SGG(Sm3Ga5O12)襯底，在襯底上形成石榴石單晶薄膜。製備石榴石單晶薄膜的原材料Fe2O3、Y2O3、Bi2O3、La2O3、ZrO2、MnO和MgO。將這些原材料與作為溶劑的PbO和B2O3混合，製取組成列於表3中的石榴石單晶薄膜。將這些製備好的單晶分別裝入鉑坩堝中，坩堝在垂直電弧爐中固定，並在大約1200℃下徐和作加熱，使單晶熔化。
表3中，標有星號(*)的單晶不在本發明的範圍內。
表3
保持如此製備好的石榴石原材料熔料在大約900℃的恆溫下，使其進入飽和狀態。將SGG襯底浸漬在熔料中，邊轉動邊使其生長，歷時預定的時間。接著，將襯底從熔料中抽出，使其高速轉動，以便藉助離心力將附著的熔料從石榴石單晶薄膜上除去，於是得出石榴石單晶薄膜。
用實例1同樣的程序對所得出的石榴石單晶薄膜進行分析，以測定其飽和磁化強度(4πMs)、鐵磁半幅值(ΔH)和晶格常數。結果如表3中所示。
與實例1類似，用得出的石榴石單晶薄膜製造雜波濾波器。為確定工作頻率，測定了濾波器特性。結果如表3中所示。靜磁波器件工作頻率中的(-)號表示，這種組成用來製造靜磁波器件時，組成的輸入功率損耗增加，且靜磁波器件沒有濾波器特性。
從表3中可以看到，本發明的石榴石單晶薄膜，在480至1400G的範圍，其4πMs值比一般材料(即實施例1的1號試樣)的YIG單晶薄膜的小，而其ΔH值則與該對比薄膜的類似。因此，製成的靜磁波器件的工作頻率可降低到600至1500兆赫的範圍。
相反，Zr的值，即y的值小於約0.1時，如27號和31號試樣所示，4πMs的值幾乎等於YIG的相應情況，這是我們所不希望有的。另一方面，當Zr即y的值超過約1.0時，如30號和34號試樣所示的那樣，ΔH的值等於或大於4.0Oe，且沒有濾波器特性，因而這種材料不能用作靜磁波器件。
上面的實例是就採用液相外延伸長方法製造磁石榴石單晶薄膜的情況舉例的實例。但本發明並不局限於上述實例中的所作的說明。就是說，用濺射法、CVD(化學汽相澱積)法和雷射研磨法也同樣可以達到本發明的效果。
在實例1至實例3中，雜波濾波器是作為本發明一個最佳實施例的靜磁波器件進行說明的。但不言而喻，本發明還可應用到其它靜磁波器件，例如可變濾波器、信噪比(S/N)增強器等。
權利要求
1.一種靜磁波器件，由通式為R3－xCaxMa5－2y＋xZryMby－xO12的磁石榴石單晶薄膜組成，其中R為選在自Y、La、Bi、Gd、Lu和Sc組成的元素群的起碼一個元素，Ma是Fe或Fe和Ga和Al組成的元素群的起碼一個元素的組合，Mb為Mg和Mn的起碼一個元素，且滿足以下不等式的條件0≤x≤1，0.1≤y≤1，且x≤y。
2.如權利要求1所述的靜磁波器件，其特徵在於，所述磁石榴石單晶膜是形成於由選自Gd3Ga5O12、Sm3Ga5O12和Nd3Ga5O12組成的材料群的一種材料製成的襯底上。
3.如權利要求2所述的靜磁波器件，其特徵在於，所述x為0，且所述襯底為Sm3Ga5O12或Nd3Ga5O12。
4.如權利要求2所述的靜磁波器件，其特徵在於所述x為0.05至1，所述襯底為Gd3Ga5O12。
5.如權利要求4所述的靜磁波器件，其特徵在於，所述y大於x。
6.如權利要求1所述的靜磁波器件，其特徵在於，x為0。
7.如權利要求1所述的靜磁波器件，其特徵在於，x為0.05至1。
8.如權利要求7所述的靜磁波器件，其特徵在於，y大於x。
9.靜磁波器件的一種材料，由通式為R3－xCaxMa5－2y＋xZryMby－xO12的磁石榴石單晶薄膜製成，其中R為選自Y、La、Bi、Gd、Lu和Sc組成的元素群的起碼一個元素，Ma為Fe或選自Fe和Ga和Al組成的元素的起碼一個元素的組合，Mb為Mg和Mn的起碼其中之一，且滿足下列不等式的條件0≤x≤1，0.1≤y≤1，且x≤y。
10.如權利要求9的所述的材料，其特徵在於，磁石榴石單晶薄膜在一種選自Gd3Ga5O12、Sm3Ga5O12和Nd3Ga5O12組成的材料群的一種材料製成的襯底上形成。
11.如權利要求10所述的材料，其特徵在於，x為0，且所述襯底是Sm3Ga5O12或Nd3Ga5O12.
12.如權利要求10所述的材料，其特徵在於，x為0.5至1，且所述襯底是Nd3Ga5O12。
13.如權利要求12所述的材料，其特徵在於，y大於x。
14.如權利要求9所述的材料，其特徵在於，x為0。
15.如權利要求9所述的材料，其特徵在於，x為0.05至1。
16.如權利要求15所述的材料，其特徵在於，y大於x。
全文摘要
一種靜磁波器件，由通過為R
文檔編號H01P1/215GK1143270SQ9610221
公開日1997年2月19日 申請日期1996年5月10日 優先權日1995年5月10日
發明者藤野優 申請人:株式會社村田製作所