الركائز البلورية GGG مقابل SGGG: ما هو الخيار الأفضل لاحتياجاتك التقنية؟
1 مقدمة
غارنيت الغادولينيوم الغادولينيوم (GGG) وغارنيت الغادولينيومالساماريوم الغادولينيوم (SGG) هما بلورات ذات بنية غارنيتية، والتي لها خصائص بصرية فريدة من نوعها مثل البصريات غير الخطية والخصائص المغناطيسية البصرية والمغناطيسية البصرية وكذلك الخصائص المغناطيسية والحرارية. وهذا يجعلها تستخدم على نطاق واسع في الإلكترونيات الضوئية وأجهزة الاستشعار والمغناطيسية. وبصفة عامة، وبسبب إدخال +SM3+، يمتلك SGGG خصائص بصرية ومغناطيسية وحرارية وكهربائية أكثر كثافة مقارنةً ب GGG، ولكن من حيث الاستقرار ونضج التطور، لا يزال GGG هو السائد في الوقت الحاضر.
2 الهيكل البلوري ل GGG وSGG
تنتمي بلورات غارنيت الغادولينيوم الغادولينيوم (GGG) إلى النظام البلوري المكعب، وهو نوع من الأنظمة البلورية متساوية القياس. يبلغ ثابت الشبيكة 12.383 Å ويتكون ثابت الشبيكة من 8 وحدات جزيئية كيميائية. وباعتباره مشتقًا من نظام بلورات العقيق، فإن بنيته البلورية تشبه بنية العقيق، حيث يشغل Gd2+ وGa3+ المواقع الأيونية الموجبة التكافؤ، على التوالي، بالاقتران مع إطار رباعي الأوجه أو رباعي الأوجه الذي يوفره [GaO4]-4. وعلى غرار العقيق، عادةً ما يكون لـ GGG عادةً عادة تبلور ثنائي السطوح المتعامدة أو رباعي السطوح رباعي السطوح.
غارنيت السماريوم الغادولينيوم الغادولينيوم (SGG) هو بلورة يتم الحصول عليها عن طريق استبدال جزء من Ga3+ بـ Sm3+ المخدّر في GGG، وهو مشابه في المظهر والبنية البلورية لـ GGG. يكون نصف القطر الأيوني لـ+SM3 أكبر مقارنةً بـ+G3+، مما يجعل استبدال +G3+ بـ+SM3 في نفس الموضع يؤدي إلى تشويه طفيف في البنية البلورية، وهذا يسبب تغييرًا طفيفًا في البنية البلورية لـ SGGG، مما يؤدي إلى اختلاف جزئي في الخواص.
3 الخواص البصرية ل GGG وSGGG والتطبيقات ذات الصلة
3.1 الخواص البصرية غير الخطية
تنتمي GGG وSGGG إلى النظام البلوري المكعب، ولا تتمتع هياكلها البلورية بتناظر مركزي؛ وفي البنية غير المتماثلة المركزية، ينكسر التناظر الانعكاسي المركزي في الوقت نفسه، ما يجعل GGG لها تأثيرات غير خطية من الدرجة الثانية، مثل التوليد التوافقي الثاني (SHG) والتذبذب البصري البارامتري (OPO)، إلخ. وبالتالي، فإن GGG و SGGG لهما خصائص بصرية غير خطية ولهما تطبيقات مهمة في الليزر وكذلك في الاتصالات والاستشعار.
3.1.1 التطبيقات المتعلقة بخصائص GGG البصرية غير الخطية
تكنولوجيا الليزر: يمكن استخدام GGG لتصنيع التوليد التوافقي الثاني (SHG) والمذبذب البصري البارامتري (OPO)، والذي يمكن استخدامه لتوليد مضاعفة تردد خرج الليزر ومزج التردد والعمليات الأخرى في معالجة الليزر والتحليل الطيفي والتصوير الطبي الحيوي وما إلى ذلك.
أنظمة ليدار: يمكن أيضًا استخدام GGG لتصنيع البصريات غير الخطية في أنظمة LIDAR لتعديل ودمج واكتشاف أشعة الليزر. تُستخدم أنظمة LIDAR على نطاق واسع في الاستشعار عن بُعد والاستكشاف الجيولوجي والفضاء وغيرها من المجالات.
الاتصالات والاستشعار البصري: يمكن استخدام GGG لتصنيع أجهزة مثل المشكّلات الضوئية والمفاتيح الضوئية التي تُستخدم لتعديل الإشارات الضوئية والتحكم في إرسال الإشارات الضوئية ومعالجتها لتحقيق نقل الإشارات الضوئية بكفاءة عالية وخسارة منخفضة. ويمكن استخدامه أيضًا لتصنيع أجهزة الاستشعار الضوئية التي تُستخدم للكشف عن معلمات مثل شدة الإشارات الضوئية وترددها وطورها. تُستخدم المستشعرات القائمة على GGG على نطاق واسع في مجالات المراقبة البيئية والتشخيص الطبي والتحكم الصناعي.
3.1.2 الخصائص الضوئية غير الخطية المحسّنة لبلورات SGGG
يتم تخدير بلورات SGG بالسم3+ لاستبدال جزء من Ga3+ في بلورات GGG، ما يؤدي إلى تغيير طفيف في البنية البلورية، ما يؤدي إلى تغييرات معينة في الخصائص البصرية. يضيف إدخال +SM3+ آلية استقطاب غير خطية، مما يؤدي إلى استجابة بصرية غير خطية محسّنة لبلورات SGGG، والتي تُظهر معاملات بصرية غير خطية أكبر في بعض التطبيقات البصرية غير الخطية، بالإضافة إلى كفاءة تحويل أعلى.
هذا لا يعني أن SGGG يمكن أن تتفوق تمامًا على GGG وتحل محلها في التطبيقات البصرية غير الخطية. نظرًا لإدخال Sm3+، في حين أن إدخال معاملات بصرية غير خطية أعلى، فإن تغيير البنية البلورية يجعل استقرار الأداء البصري ل SGGG ينخفض قليلاً. هذا التغيير يجعل SGGG أكثر حساسية للظروف البيئية في سيناريوهات التطبيق، لذلك عندما يكون الطلب على الاستقرار والاتساق مرتفعًا، لا يزال SGG أفضل من SGG. لا يزال GGG خيارًا أفضل من SGGG عندما يكون الطلب على الاستقرار والاتساق مرتفعًا.
3.2 الخصائص المغناطيسية والبصرية
يتميّز GGG وSGG بخصائص مغناطيسية بصرية. التأثير المغناطيسي البصري هو ظاهرة تتغير فيها الخصائص البصرية للمادة تحت مجال مغناطيسي مطبق. ويمكن أن يتجلى هذا التغير في صورة تغير في حالة الاستقطاب أو معامل الانكسار أو امتصاص الضوء، إلخ. ينشأ التأثير المغناطيسي البصري لمادة GGG بشكل أساسي بسبب تفاعل بنيتها البلورية والأيونات الداخلية، بالإضافة إلى تأثير المجال المغناطيسي المطبق. وتحت تأثير المجال المغناطيسي، يتغير الدوران والحركة المدارية للأيونات (عادةً أيونات الفلزات الانتقالية) في البلورات المغناطيسية الضوئية في البلورات المغناطيسية الضوئية، مما يؤدي إلى تغيرات في الخواص البصرية. وفي ظل المجال المغناطيسي المطبق، تتفاعل دوران الأيونات في البلورات المغناطيسية الضوئية مع الفوتونات، مما يؤدي إلى دوران اتجاه استقطاب الضوء. تُعرف هذه الظاهرة أيضًا باسم تأثير فاراداي.
3.2.1 التطبيقات المتعلقة بالتأثير المغناطيسي البصري
التخزين المغناطيسي البصري: يُستخدم التأثير المغناطيسي البصري ل GGG على نطاق واسع في أجهزة التخزين المغناطيسي البصري. من خلال استخدام التأثير المغناطيسي البصري، من الممكن كتابة المعلومات وقراءتها ومسحها في الوسيط. وتتمتع أجهزة التخزين المغناطيسية البصرية بمزايا كثافة التخزين العالية والسرعة العالية والاستقرار طويل الأمد، وبالتالي لها آفاق تطبيقية مهمة في مجال تخزين البيانات.
الأجهزة الضوئية للاتصالات والاستشعار: يمكن أيضًا استخدام GGG و SGGG لتصنيع الأجهزة الضوئية مثل المغيرات الضوئية والمفاتيح الضوئية. يمكن لهذه الأجهزة تحقيق تعديل الإشارات البصرية والتحكم فيها، والتي تُستخدم في مجالات الاتصالات البصرية ومعالجة الإشارات البصرية والاستشعار البصري. وباستخدام التأثير المغناطيسي البصري، يمكن تحقيق التحوير والتحكم في الإشارات البصرية في الألياف الضوئية لتطبيقات مثل استشعار المجال المغناطيسي والتصوير بالمجال المغناطيسي. تتميز مستشعرات الألياف البصرية المغناطيسية الضوئية بمزايا الحساسية العالية وسرعة الاستجابة السريعة والقدرة القوية على مقاومة التداخل، لذا فإن لها مجموعة واسعة من التطبيقات في مجال قياس المجال المغناطيسي والتصوير.
العوازل الضوئية: يمكن أيضًا استخدام التأثير المغناطيسي البصري لتصنيع العوازل الضوئية، والتي تُستخدم لمنع الانتشار العكسي والتداخل المتبادل للإشارات الضوئية. تلعب العوازل الضوئية دورًا مهمًا في الاتصالات البصرية والأجهزة البصرية لتحسين استقرار النظام وأدائه.
3.2.2.2 التأثيرات المعززة في SGG
بالمقارنة مع GGG، سيكون لـ SGG تأثير ضوئي مغناطيسي بصري أكثر وضوحًا بسبب تعاطي Sm3+ وإلكتروناته غير المزاوجة كأيون فلز انتقالي. وفي نفس الوقت الثبات والتطبيق المقابلين، لا يزال الاثنان يتمتعان بنقاط القوة ويكملان بعضهما البعض.
3.3 استجابة التيراهيرتز
تشير استجابة التيراهيرتز إلى استجابة مادة ما لنطاق التيراهيرتز (تُعرّف عادةً بأنها موجة كهرومغناطيسية تقع بين الأشعة تحت الحمراء والموجات الدقيقة، ويتراوح نطاق ترددها بين 0.1 تيراهيرتز و10 تيراهيرتز). يتميز نطاق التيراهيرتز بالعديد من الخصائص الخاصة، بما في ذلك الاختراق العالي وعدم التأين وخصائص الامتصاص الفريدة للأنسجة البيولوجية والعديد من المواد، إلخ. وقد قام محسن صباغي وآخرون بدراسة الاستجابة المغناطيسية الضوئية لمواد GGG و SGGG في نطاق التردد من 30 جيجا هرتز إلى 1 تي هرتز، بالإضافة إلى موتر استجابة المواد، وفي هذا النطاق الطيفي، تُظهر المواد خصائص غير مشتتة وتوهينًا ضئيلًا للإشارة الضوئية. ومن اللافت للنظر، في ظل ظروف درجات الحرارة المنخفضة، لوحظ دوران تيراهيرتز فاراداي الواضح في عينات (S) GGG. ويرتبط هذا السلوك الكهربي الجيروسكوبي الملحوظ على الأرجح بالحالة البارامغناطيسية الدورانية المرتفعة التي تظهرها أيونات Gd3+ داخل بنية المادة.
3.4 التلألؤ الضوئي
درس ن. ميرونوفا-أولمان وآخرون التحليل المقارن لبلورات GGG المفردة في البلورات المشععة بأقصى تدفق نيوتروني، أظهرت أطياف EPR العديد من العيوب البارامغناطيسية. وفي بلورات GGG غير المشععة، يتسم التلألؤ الضوئي بالشوائب غير المشععة. ومع ذلك، عند تشعيع GGG بالنيوترونات، يظهر طيف تلألؤ واسع غير متماثل، مع ذروة ملحوظة تتراوح بين 725 و733 نانومتر. وتشتد هذه الذروة بشكل متناسب مع التألق الإشعاعي. وبالتالي، من المحتمل أن يُعزى هذا النطاق الطيفي إلى ظهور عيوب ناتجة عن الإشعاع داخل المادة.
وتتمتّع تقنية التلألؤ الضوئي بمجموعة واسعة من التطبيقات في التحليل البيولوجي والكيميائي (وضع العلامات الفلورية والتحليل الطيفي الفلوري وما إلى ذلك) وأجهزة الاستشعار الضوئي، بالإضافة إلى مجموعة واسعة من أجهزة الإنارة مثل أجهزة الفلورسنت وإضاءة LED وما إلى ذلك. وقد أدى البحث في الخصائص ذات الصلة ل GGG إلى إمكانية تطوير معين لمجالات تطبيقه في المستقبل.
4 الخواص المغناطيسية لـ GGG وSGG والتطبيقات ذات الصلة
كما ذكرنا من قبل، فإن GGG و SGGG لهما خواص مغناطيسية-بصرية، ويعتمد ظهور الخواص المغناطيسية-البصرية على مغنطة المواد في مجال مغناطيسي والتغير الناتج في الخواص البصرية. ولذلك، فإن خاصية المغنطة ل GGG و SGGG هي أيضًا أساس مهم لتطبيقها على نطاق واسع. يُظهر GGG و SGGG مغناطيسية حديدية بسبب العزم المغناطيسي لـ Gd3+، الذي يُظهر ظاهرة المغنطة وكذلك التأثير المغناطيسي البصري تحت مجال مغناطيسي مطبق.
نظرًا لأن الإلكترونات الموجودة في الطبقة الخارجية من Gd3+ هي في الأساس إلكترونات 4f، فإن هذه الإلكترونات تحتوي على عدة إلكترونات مغزلية غير مزدوجة في مداراتها الذرية، مما ينتج عنه ذرات الجادولينيوم ذات الزخم الزاوي المغزلي العالي. وتمنح هذه الإلكترونات المغزلية غير المزدوجة ذرات الجادولينيوم عزمًا مغناطيسيًّا تلقائيًّا كبيرًا في درجة حرارة الغرفة، ومن ثم تُظهِر مغناطيسية واضحة. إن التركيب البلوري لـ GGG وSGG هو نظام بلوري مكعب ينتمي إلى البلورة السداسية. في هذا التركيب البلوري، يكون اتجاه دوران Gd3+ مرتبًا داخل البلورة، مما يؤدي إلى تكوين مجالات مغناطيسية. ويساهم هذا الترتيب المرتب في تكوين الخصائص المغناطيسية التي يمكن ملاحظتها من الناحية المجهرية.
وفيما يتعلق بالتطبيقات، يمكن استخدام نمو أفلام العقيق المغناطيسي الحديدي على ركائز GGG لتصنيع أجهزة بصرية مغناطيسية وذكريات المجال المغناطيسي الفقاعي. ويمكن استخدام نمو أشباه الموصلات المركبة III-V على ركائز GGG في أنظمة الاتصالات البصرية مثل العوازل المغناطيسية البصرية المتكاملة وصمامات الليزر الثنائية؛ والدوائر المغناطيسية البصرية المتكاملة مع البواعث المتكاملة والكاشفات والعوازل والدوائر الدائرية والمبدلات المتبادلة غير المتقاطعة والمعدلات وغيرها؛ والتسجيلات المغناطيسية مع رؤوس قراءة مغناطيسية متكاملة؛ وقياس المغناطيسية وغيرها.
5 الخواص الحرارية ل GGG وSGGG والتطبيقات ذات الصلة
تحمل البلورات الاصطناعية ذات البنية العقيقية، بالإضافة إلى فائدتها الراسخة في الإلكترونيات الكمومية، تطبيقات واسعة الانتشار في مجالات علمية وتكنولوجية متنوعة. تنبع حتمية التدقيق في الخصائص الفيزيائية الحرارية للعقيق من الدور الذي لا غنى عنه في تسهيل الحسابات الهندسية الدقيقة المحورية لتصميم الأجهزة المرتبطة بها وتحسينها. وبدون فهم شامل لهذه الخصائص، تظل فعالية وموثوقية هذه الأجهزة صعبة التحقق. قام كل من D A Samoshkin وS V Stankus وآخرون بدراسة بيانات تجريبية جديدة وموثوقة حول السعة الحرارية للغاز الطبيعي غير المشبع وغازات الغلوكوز في نطاق درجة حرارة الحالة الصلبة من 300-975 كلفن. قورنت النتائج التجريبية مع بيانات الأدبيات الموجودة. وللمرة الأولى، تم الحصول على بيانات عن فترة درجة حرارة 700-975 كلفن. في ظل نفس الظروف، يرتفع معامل السعة الحرارية لـ GGG تدريجيًا مع زيادة درجة الحرارة، ويتباطأ الاتجاه الصاعد تدريجيًا، مما يُظهر صورة سلسة بشكل متزايد.
6 إعداد GGG وSGG
في عملية تصنيع بلورات GGG وSGGG باستخدام طريقة Czochralski، يكون التحكم الدقيق في درجة الحرارة ومعدل الرفع أمرًا بالغ الأهمية.
التحكم في درجة الحرارة: تُعد الإدارة الدقيقة لدرجة الحرارة داخل الذوبان أمرًا محوريًا في عملية Czochralski. ويستلزم ذلك الحفاظ على توزيع درجة الحرارة الذي يضمن نقطة الانصهار عند السطح البيني بين السائل والصلب مع خلق درجة من التبريد الفرعي حول بلورات البذور. ويمنع هذا التبريد الفرعي تكوين نوى إضافية، مما يسهل الترتيب المنظم للذرات أو الجزيئات في بنية بلورية واحدة. يعد الإدخال المستمر للحرارة من السخان ضروريًا للحفاظ على الذوبان في درجة الحرارة المطلوبة، وغالبًا ما يكون أعلى بكثير من الظروف المحيطة.
معدل الرفع: يؤثر معدل رفع البلورة تأثيرًا عميقًا على معدل نموها وجودتها. تعمل سرعة الدوران المثلى على تعزيز الخلط الفعال داخل الذوبان، مما يقلل من تدرجات درجة الحرارة الشعاعية ويمنع التبريد الزائد للمكونات. وعادةً ما يتم استخدام معدل رفع في حدود 6-15 مم في الساعة لتحقيق خصائص نمو البلورات المرغوبة.
من السهل نمو بلورات GSGG عالية الجودة الخالية من اللب ويمكن أن تتجنب الشوائب والإجهادات والعيوب الأخرى الناجمة عن نمو السطح الصغير.
وقد حصل D. F. O'Kane وآخرون على بلورات GGG المفردة التي تحتوي على أقل من 5 عيوب/سم2 ناتجة عن شوائب الإيريديوم والخلع باستخدام نظام تلفزيون نمو بلوري Czochralski المتحكم فيه بالكمبيوتر. نجح الغلاف الجوي النيتروجيني النقي في ساحبة البلورات في تقليل شوائب الإيريديوم في البلورات المسحوبة. أثناء نمو البلورات، منع معدل الدوران المرتفع للبلورات ومعدل السحب البطيء حدوث تآكل في البلورات؛ ويمكن ملاحظة وجود خطوط في البلورات عند معدل الدوران المرتفع هذا. تم تجنب الخلع من خلال التحكم الجيد في قطر البلورة أثناء النمو. تم تطوير إجراء حفر للكشف عن الاضطرابات. لم تتغير المعلمات الشبكية لـ GGG خلال الـ 26 ساعة اللازمة للنمو. أدّى وجود فائض Ga203 في الذوبان إلى انخفاض طفيف فقط في معلمة الشبكة، في حين أن فائض Gd203 زاد بشكل كبير من معلمة الشبكة.
7 الاستنتاج
يُعد غارنيت الغادولينيوم الغادولينيوم (GGG) وغارنيت الغادولينيوم الساماريوم الغادولينيوم (SGG) من المواد البلورية المشهورة ببنية العقيق، والتي تتميز بخصائص بصرية ومغناطيسية وحرارية رائعة. هذه الخصائص الفريدة، بما في ذلك البصريات غير الخطية والتأثيرات المغناطيسية الضوئية، تجعلها لا غنى عنها في مجالات مختلفة مثل الإلكترونيات الضوئية وتكنولوجيا الاستشعار والمغناطيسية. وبينما يجد كل من GGG وSGGG تطبيقات واسعة النطاق، فإن SGGG، المعزز بدمج السماريوم (Sm3+)، يُظهر خصائص بصرية ومغناطيسية وحرارية وكهربائية محسّنة. ومع ذلك، على الرغم من خصائصه المتفوقة، يظل GGG الخيار السائد بسبب ثباته ونضجه في التطوير في المشهد الحالي لعلوم المواد والهندسة.
قراءة ذات صلة:
الابتكارات في البصريات: دور GGG وSGGG وNGG بولز العقيق
المرجع
[1] ميرونوفا أولمان ن، بوبوف أ، أنتوزيفيتش أ، وآخرون. EPR والتحليل الطيفي البصري للبلورات المفردة Gd 3 Ga 5 O 12 المشعّة بالنيوترون [J]. Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, B,2020,480.
[2] Mohsen S، W. جي إتش ومايكل دبليو وآخرون. استجابة التيراهيرتز لعقيق الغادولينيوم الغاليوم (GGG) وعقيق الغادولينيوم سكانديوم الغاليوم (SGG) [J]. مجلة الفيزياء التطبيقية، 2020، 127(2).
[3] Samoshkin A D، A D S، V S S. السعة الحرارية لعقيق النيوديميوم والغادولينيوم-الغاليوم[J]. مجلة الفيزياء: Conference Series,2020,1677(1).
[4] O'Kane F D، Sadagopan V، Giess A E، وآخرون. نمو البلورات وتوصيف عقيق الجادولينيوم-الغاليوم [J]. مجلة الجمعية الكهروكيميائية، 2019، 120(9).
