الابتكارات في البصريات: دور بولات العقيق GGG و SGGG و NGG و NGG

1 مقدمة

يوفر البناء الكامل لشبكات الجيل الخامس 5G فرصًا جديدة لسوق اتصالات الألياف الضوئية. الألياف الضوئية هي المادة الوحيدة التي توفر معدلات نقل البيانات العالية اللازمة. وبينما يرتفع الطلب على الألياف الضوئية بسبب شبكات الجيل الخامس، فإن الطلب على عوازل الألياف الضوئية آخذ في الارتفاع أيضًا. تُستخدم عوازل الألياف الضوئية مع مضخمات الألياف المطعمة بالطعم لزيادة الكسب الأقصى وتقليل مؤشر الضوضاء. في التطور السريع لاتصالات الألياف الضوئية بتقسيم الطول الموجي الكثيف (DWDM)، تلعب الأنظمة عالية السرعة والسعة دورًا مهمًا في الاتصالات البصرية عالية السرعة وعالية السعة. وتكتسب العوازل الضوئية أهمية خاصة في هذا السياق.

يُستخدمعقيق الغادولينيوم الغادولينيوم الغادولينيوم (GGG) وعقيق الغادولينيوم الغادولينيوم السكندينيوم (SGG) وعقيق الغادولينيوم النيوديميوم (NGG) على نطاق واسع في مختلف الأجهزة المغناطيسية البصرية نظرًا لخصائصها المغناطيسية البصرية الممتازة وأصبحت نجمة صاعدة في مجال المواد البصرية.

الصورة 1 الألياف البصرية

2 GGG

2.1 مقدمة

غارنيت الغادولينيوم الغادولينيوم ( GGG، الصيغة Gd3Ga5O12) هو مادة بلورية اصطناعية تشبه العقيق وعادة ما تكون عديمة اللون. لها شبكة بلورية مكعبة، وكثافتها 7.08 جم/سم3، وصلابة موس 6.5 و7.5. وباعتباره مادة خام مهمة للأجهزة البصرية، يتميز GGG ببعض الخصائص الفريدة. فلها معامل انكسار مرتفع نسبيًا. وفي الوقت نفسه، يتمتع بشفافية جيدة في النطاق الطيفي المرئي. وهذا يسمح للضوء بالمرور من خلاله والحفاظ على خصائصه البصرية الأصلية. وهو مثالي لتحضير الأجهزة البصرية مثل العدسات ذات معامل الانكسار العالي والمكونات البصرية وأجهزة الليزر. كما أنه يُظهر العديد من التأثيرات البصرية غير الخطية، مثل تأثير كير البصري وتأثير التركيز الذاتي. يتميز GGG بموصلية حرارية منخفضة نسبيًا، كما أن تبديده الممتاز للحرارة يجعله مثاليًا للاستخدام في الأجهزة البصرية وكذلك في الركائز. والأهم من ذلك، يتمتع GGG بخصائص مغناطيسية بصرية ممتازة، والتي تتميز بتأثير فاراداي الدوراني. وقد أدت هذه الخاصية إلى مجموعة واسعة من التطبيقات في الأجهزة الضوئية المغناطيسية، مثل أجهزة التخزين الضوئية المغناطيسية والعاكسات الضوئية المغناطيسية.

صورة 2 بلورات GGG المتقلبة

2.2 الأحرف

تُصنع الترانزستورات والدوائر المتكاملة على سطح صفيحة شبه موصل، وهي في هذه الحالة الركيزة (الرقاقة). تلعب الركيزة شبه الموصلة دورًا ليس فقط في الخواص الكهربائية ولكن أيضًا في الدعم الميكانيكي.

وباعتباره مادة ركيزة، يتميز GGG بخصائص مناسبة جدًا لمواد الركيزة:

1. التطابق الهيكلي بين الركيزة والفيلم الفوقي: تتمتع المواد الفوقية ومواد الركيزة بالبنية البلورية نفسها أو ما يماثلها، وعدم تطابق ثابت شبكي صغير، وخصائص بلورية جيدة، وكثافة عيوب منخفضة. يتطابق ثابت الشبكة ومعامل التمدد الحراري للبلورات المفردة GGG مع YIG. ولذلك، تعتبر البلورة المفردة GGG مادة ركيزة مناسبة للأفلام الفوقية المغناطيسية البصرية المغناطيسية الشبيهة ب YIG والأفلام الفوقية المغناطيسية الشبيهة ب YIG. تتمتع هذه المواد الشبيهة ب YIG و YIG بمجموعة واسعة من التطبيقات في مجال العوازل الضوئية والأدلة الموجية الضوئية والبصريات المتكاملة.

2. مطابقة معامل التمدد الحراري بين الركيزة والفيلم فوق المحوري: إن مطابقة معامل التمدد الحراري مهم جداً. فالفرق بين الفيلم الفوقي ومادة الركيزة في معامل التمدد الحراري كبير جدًا ليس فقط قد يؤدي إلى انخفاض جودة الفيلم الفوقي ولكن أيضًا في عملية تشغيل الجهاز، بسبب الحرارة الناتجة عن تلف الجهاز.

3. تطابق الاستقرار الكيميائي للركيزة والفيلم الفوقي: يجب أن تتمتع مادة الركيزة باستقرار كيميائي جيد، وتحمي الفيلم الفوقي مع الحفاظ على ثباته وعدم تحللها أثناء المعالجة.

4. سهولة التحضير وتكلفة المواد: لوضعها في الإنتاج الضخم، يتطلب تحضير مادة الركيزة عملية بسيطة وتكلفة منخفضة قدر الإمكان.

الصورة 3 نمط XRD XRD ل GGG عند درجة حرارة 1000 درجة مئوية

2.3 التحضير

يتم تحضير الغالبية العظمى من ذواكر الفقاعات المغناطيسية على ركائز غادولينيوم غاليوم غارنيت ( GGG). لا تعمل هذه الركائز كناقلات فحسب، بل تعمل أيضًا كنواة للنمو الفوقي لطبقات التخزين المغناطيسية. سيتم استنساخ أي عيب في بنية الركيزة في الطبقة الفوقية، لذلك يجب أن تكون الركيزة موحدة للغاية. وبالتالي، يجب أن تكون تقنية عملية تحضير GGG نفسها مثالية للغاية لضمان جودتها. الطريقة الأكثر شيوعًا لتحضير GGGs هي طريقة الشد، واثنان من أهم جوانب عملية تحضير الشد هما التحكم في درجة الحرارة والمعدل.

1. التحكم في درجة الحرارة: التحكم في درجة حرارة الذوبان هو مفتاح عملية نمو البلورات في طريقة الشد. ويلزم توزيع درجة الحرارة في الذوبان للحفاظ على درجة حرارة نقطة الانصهار عند السطح البيني بين المادة الصلبة والسائلة، لضمان أن يكون للذوبان حول بلورة البذرة درجة معينة من التبريد الفرعي، ويظل باقي الذوبان شديد السخونة. وبهذه الطريقة، يضمن أن الذوبان لا ينتج نوى أو ذرات أو جزيئات أخرى عند السطح البيني وفقًا لبنية البلورة البذرية المرتبة في بلورة واحدة. وللحفاظ على درجة معينة من التبريد الفرعي، يجب أن تتحرك واجهة النمو باستمرار نحو درجات حرارة منخفضة بعيدًا عن السطح المتساوي الحرارة لنقطة التصلب لكي تنمو البلورات. بالإضافة إلى ذلك، عادةً ما تكون درجة حرارة الذوبان أعلى بكثير من درجة حرارة الغرفة، للحفاظ على الذوبان في درجة الحرارة المناسبة، ولكن أيضًا بواسطة السخان يجب أن يكون هناك إمداد مستمر بالحرارة.

2. معدل الرفع: يحدد معدل الرفع معدل نمو البلورات وجودتها. مع سرعة الدوران المناسبة، يمكن أن ينتج الذوبان خلطًا جيدًا، ويقلل من تدرج درجة الحرارة الشعاعية، لمنع مكونات الغرض من التبريد الزائد. معدل الرفع العام هو 6-15 مم في الساعة.

بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لنمو مادة GGG نفسها، تنتج أحيانًا جزيئات بيضاء ضبابية في البلورات، مما يؤثر على الاستخدام البصري. ويجري أيضًا استكشاف الأسباب الفنية ذات الصلة وخيارات التحسين.

الصورة 4 في بعض الأحيان تظهر بقع بيضاء ضبابية في بلورات GGG

2.4 التطبيقات (في التبريد)

تخضع المواد المغناطيسية لتغيير في اتجاه عزمها المغناطيسي في مجال مغناطيسي مطبق. ويصاحب هذه العملية تغير في الإنتروبي المغناطيسي، أي التغير في الإنتروبي الناجم عن إعادة توجيه العزم المغناطيسي في المجال المغناطيسي الخارجي. ويحدث التبادل الحراري عندما تخضع المواد المغناطيسية لتغير في الإنتروبيا المغناطيسية في مجال مغناطيسي. من خلال تصميم نظام تبريد مغناطيسي، من الممكن تبريد جسم ما أثناء امتصاص الحرارة. في صناعة التبريد المغناطيسي، تم تطبيق GGG بنجاح في منطقة درجة حرارة أقل من 20 كلفن لتدفق الهيدروجين الهيدروجيني في السوق وكذلك التبريد قبل مرحلة تسييل الهيليوم والنيتروجين.

الصورة 5 بلورات GGG العمودية

3SGGG&NGG

3.1 SGGG

بلوراتScandium Gadolinium Gadolinium Gallaret ( SGGG، الصيغة Gd3Sc2Ga3O12) هي بلورات يتم الحصول عليها عن طريق استبدال Sc3+ بجزء من Ga3+ في بلورات GGG، وهي متشابهة في التركيب والمظهر ويتم إنتاجها بالطريقة نفسها. تتمتع بلورات GSGG ببعض المزايا:

1. على غرار GGG، من السهل نمو بلورات GSGG عالية الجودة الخالية من اللب ويمكن أن تتجنب عيوب الشوائب والإجهاد الناجم عن نمو الأسطح الصغيرة.

2. يحتوي على العقيق المحتوي على مادة Sc على موصلية حرارية أعلى وخصائص فيزيائية كيميائية مستقرة، ويمتلك كفاءة أعلى في تبديد الحرارة، ويتجنب بشكل فعال المشاكل الناجمة عن ارتفاع درجة حرارة السطح.

الجدول 1 مقارنة بين خصائص GGG و SGGG

3.2 NGG

بلوراتالنيوديميوم غاليوم غارنيت (NGG) هي بلورات يتم الحصول عليها عن طريق استبدال Nd3+ بجزء من Ga3+ في بلورات GGG. تنعكس مزاياها بشكل أساسي في:

1. البلورة سهلة النمو نسبيًا، ويمكن أن يصل معدل نمو البلورة إلى 5 مم/ساعة.

2. يمكن زراعة البلورة في واجهة مسطحة بدون تركيز إجهاد وبقليل من الشوائب، مما يجعل من السهل تحضير شرائح كبيرة الحجم لتطبيقات البلورات عالية الطاقة.

3. يحتوي Nd في بلورات الإيتريوم ألومنيوم غارنيت (YAG) على معامل تجزئة يبلغ 0.1-0.2، بينما في بلورات GGG يكون معامل تجزئة Nd أعلى حتى 0.52، وهو ما يساعد على تحضير بلورات ليزر عالية التركيز مخدرة، وبالتالي زيادة طاقة الضخ [1].

4. بالمقارنة مع زجاج النيوديميوم الوسيط المكتسب بالليزر، تتمتع بلورات Nd: GGG بقوة ميكانيكية أعلى وموصلية حرارية أعلى، مما يتيح تبريد البلورات في وقت أقصر.

5. الاستبدال المتجانس لـ Nd3+ لـ Gd3+ يتجنب بشكل فعال تجزئة التلألؤ في مستوى الطاقة العلوي لليزر Nd3+ [ ^2].

6. تبلغ كفاءة الليزر لبلورات Nd: GGG ضعف كفاءة زجاج النيوديميوم، وهو وسيط كسب ليزر عالي الطاقة شائع الاستخدام، ويمكن استخدامه كوسيط عمل ليزر في أسلحة الليزر الاستراتيجية قصيرة المدى بقوة تصل إلى 100 كيلوواط [3،4].

الجدول 2 مقارنة بين خواص GGG وSGGG وNGG

4 استنتاج

تُستخدم GGG وSGGG وNGG على نطاق واسع في تكنولوجيا الليزر والأجهزة البصرية والتطبيقات المغناطيسية وغيرها من المجالات ذات التقنية العالية بسبب خصائصها البصرية الفائقة. تم استخدام GGG، باعتبارها المادة الأكثر بحثًا وتطبيقًا على نطاق واسع، في مجموعة متنوعة من التطبيقات في مجالات تجاويف الرنين الليزري، وبلورات الليزر للأجهزة المغناطيسية الضوئية المغناطيسية، وما إلى ذلك؛ تتمتع SGG و NGG بجوانب متفوقة على خصائصها الأصلية وتنتظر استكشاف المزيد من التطبيقات بسبب تعاطي المنشطات من السكانديوم والنيوديميوم مع نوعين من العناصر الأرضية النادرة. يتميز كل من SGGG و NGG، بسبب تطعيم عنصرين من العناصر الأرضية النادرة، وهما السكانديوم والنيوديميوم، بجوانب متفوقة على الخصائص الأصلية ل GGG وينتظران استكشاف المزيد من التطبيقات.

المراجع

[1] ZIMIK K ，CHAUHAN R，KUMAR R ，KUMAR R ，ETA1 دراسةحولنموبلورةNd3+ ：Gd3Ga5O12 (Nd：GGG) بتقنية czochralski تحت معدلات تدفق الغاز المختلفة واستخدام أحجام مختلفة من البوتقة لنمو الواجهة المسطحة [J]، مجلة نموالكريستال ， 2013 ， 363 (3)،76-79．