Synthesis and Physical properties of Erbium doped Yttrium Iron Garnets

Abstract

Y3-xErxFe5O12 nanoparticles with 0.2 ≤ x ≤ 2.0 were fabricated using traditional solid-state reaction technique. All the samples have a homogeneous cubic phase with the I a -3 d space group, and the lattice parameters of the samples slightly decreased with enhancement of x owing to smaller ionic radius of Er3+. The reflection of Er doped Y3Fe5O12 (YIG) samples at the wavelength of 1450 ~ 1650 nm decreased with more amount of Er3+. Furthermore, as the Er3+ content increased, the magnetism of the Y3-xErxFe5O12 samples decreased and the temperature, in which the magnetism starts to decrease, increased. In addition, the remanent magnetism and coercive magnetic field increased with more x content when they were measured at 2 K, indicating that magnetic properties were affected by the Er ions. Therefore, the optimum optical and magnetic properties of the Y3-xErxFe5O12 samples for the magneto-optical devices can be obtained through the control of the Er3+ content, indicating that the Y3-xErxFe5O12 samples are good potential candidates for the magneto-optical applications. Y3-xErxFe5O12 ceramics with 0.0 ≤ x ≤ 3.0 were well sintered at 1400 ℃ using traditional solid-state reaction technique. All the ceramics have a homogeneous cubic phase with the I a -3 d space group, and the lattice parameters of the ceramics slightly decreased with enhancement of x owing to smaller ionic radius of Er ion. The reflection of Y3-xErxFe5O12 ceramics (1.0 ≤ x ≤3.0) decreased at the wavelength of 1450 ~ 1650 nm owing to optical transition between I 15/2 and I13/2 in Er ion. The Y3-xErxFe5O12 ceramics with a small amount of Er ions (x ≤ 0.5) exhibited temperature independent magnetic moment. However, the magnetic moment of the Y3-xErxFe5O12 ceramics (1.0 ≤ x ≤ 3.0) reduced close to zero at low temperature (T0) and it began to increase at temperatures lower than T0. The change of the magnetic moment of the Y3-xErxFe5O12 ceramics (1.0 ≤ x ≤ 3.0) at low temperature can be explained by the behavior of the magnetic moment of Er ion. In addition, the saturated magnetic moment of the Y3-xErxFe5O12 ceramics (0.0 ≤ x ≤ 3.0) at 300 K reduced with the increase of x. Therefore optical and magnetic properties of the Y3-xErxFe5O12 ceramics (0.0 ≤ x ≤ 3.0) are affected by the Er ions. Moreover, the optimum optical and magnetic properties of the Y3-xErxFe5O12 ceramics for the magnetooptical devices can be obtained through the control of Er3+ content, indicating that the Y3-xErxFe5O12 ceramics are good potential candidates for the magneto-optical applications.;Y3Fe5O12 (YIG)는 magnon과 phonon 사이의 강한 상호작용이 있어 양자 통신과 컴퓨팅에 사용되고, ferrimagnetic한 성질을 가져 자기광학장비로 많이 활용되었다. 이런 유용한 물질인 YIG는 연구가 많이 되어왔는데 주로 Y자리에 희토류 금속을 치환하거나 Fe 자리에 자성을 띠지 않는 원소로 치환되는 연구가 대부분이었다. 이 논문에서는 Fe의 자성과 반대방향의 자성을 갖고 있는 Er을 Y 자리에 도핑한 Y3-xErxFe5O12 물질의 Er조성에 따른 구조, 광학적, 자성 특성 변화를 연구하였다. 지금까지 시료제작에 어려움이 있어서 Er을 소량만 치환한 연구가 수행되었지만 본 논문에서는 많은 실험을 통하여 적합한 합성조건을 확립하여 Er으로 Y를 완전히 치환하여 특성을 분석하는 최초의 연구를 수행하였다. Y3-xErxFe5O12 (0.0≤x≤3.0) 세라믹을 전통적인 고상 합성 방법을 통해 1200℃에서 하소하여 상을 합성하고 1400℃에서 소결하였다. 세라믹 시료는 모두 동일한 I a –3 d 구조로 cubic 이고 lattice parameter 값이 Er 이온의 증가함에 따라 감소하는 양상을 보였다. Y3-xErxFe5O12 (1.0≤x≤3.0) 시료는 1450 ~1650 nm 에서 반사율이 감소하는 양상을 보였으며 이는 Er 이온 내부에서 I15/2 I13/2 사이 optical transition이 일어나기 때문이다. 자성특성에서 Er이온이 0.5 보다 적게 도핑된 시료는 magnetic moment가 온도에 무관하게 거의 일정하였다. YIG에서는 Fe이 자성을 결정하므로 Fe의 magnetic moment는 온도에 무관함을 알 수 있다. Y3-xErxFe5O12 (0.0≤x≤3.0)시료는magnetic moment가 낮은 온도인 T0 까지는 감소하는 경향을 나타냈고 T0 밑으로 온도가 내려가면 다시 magnetic moment가 증가하였다. Y3-xErxFe5O12 (1.0≤x≤3.0) 시료가 보이는 저온에서의 magnetic moment 변화 양상은 Er의 이온에 의해 나타난다. 추가로 Y3-xErxFe5O12 (0.0≤x≤3.0) 시료의 saturation magnetization은 300K 에서 x가 증가함에 따라 감소하였다. 따라서 Y3-xErxFe5O12 (0.0≤x≤3.0) 시료의 광학적 특성과 자성 특성이 Er 이온에 따라 변하는 것을 알 수 있었다. 이러한 Er 이온 농도에 따라 변화하는 YIG의 자성과 광학적 특성을 잘 활용하면 다양한 자기 광학기기에 이용될 수 있을 것이다.