稀土石榴石（Rare earth iron garnets ，REIGs）是一種富含稀土元素的礦物，因其獨(dú)特的物理和化學(xué)特性，在自旋電子和磁電子等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。其快速自旋波動力學(xué)、高疇壁速度以及低至中等的阻尼特性使其在微波器件和高頻通訊等領(lǐng)域表現(xiàn)出卓越的性能^[1]。同時，稀土石榴石還具備良好的磁學(xué)性能，使其成為數(shù)據(jù)存儲和磁傳感器的理想選擇，在電子、通訊、激光和數(shù)據(jù)存儲等領(lǐng)域。然而，在壓電襯底上生長的稀土鐵石榴石薄膜上，電壓誘導(dǎo)的各向異性調(diào)制尚未得到證明。

目前，Miela J. Gross^[2]利用磁控濺射技術(shù)在Si（001）或PMN-PT（011）襯底上制備了5nm SiO2涂層。隨后，通過脈沖激光沉積（PLD）技術(shù)，成功共沉積了化學(xué)DyIG和YIG靶材，制備出42nm厚的YDyIG薄膜。并在750℃的O₂氛圍下進(jìn)行了5分鐘的快速熱處理（RTP），以促進(jìn)薄膜的結(jié)晶化，從而提高其石榴石結(jié)構(gòu)的有序性和性能。

圖1 YDyIG薄膜在SiO2/PMN-PT襯底上的生長情況

圖1展示了YDyIG薄膜在SiO2/PMN-PT襯底上的生長情況。42 nm厚的YDyIG/Si薄膜結(jié)晶為單相的、無二次相的石榴石。然而，直接在PMN-PT襯底上生長和退火的薄膜產(chǎn)生了原鐵氧體薄膜（Y，Dy）FeO3特征的峰，圖1(a).正鐵氧體的形成是由于鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的PMN-PT上的外延生長。作為比較，從YIG靶生長的薄膜，在鈦酸鍶基底上同樣形成釔原鐵氧體^[3]。因此，需要一個屏障層來防止外延生長，而這是由5 nm的非晶態(tài)二氧化硅提供的。42 nm YDyIG/5 nm SiO2/PMN-PT結(jié)晶后的聚合入射x射線衍射（GIXD），圖1(a)顯示了單相多晶石榴石峰，證實了二氧化硅屏障的有效性。

圖2 YDyIG薄膜的晶粒結(jié)構(gòu)和表面形貌況

圖2揭示了YDyIG薄膜的晶粒結(jié)構(gòu)和表面形貌。從圖中可以看出，每個晶粒呈現(xiàn)出放射狀的線狀特征。這些特征是由于低角度晶界在晶化前沿不穩(wěn)定時形成的。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，YDyIG薄膜在兩種基底上均由約5微米直徑的晶粒組成。這是在快速熱處理中穩(wěn)定生長的結(jié)果。

圖3 YDyIG/SiO2/PMN-PT在不同電壓下磁滯回線的變化情況

圖3展示了YDyIG/SiO2/PMN-PT在不同電壓下磁滯回線的變化情況。當(dāng)在[D11]方向施加OP電壓后，磁滯回線發(fā)生了明顯的變化。這種變化是由于OP電壓對YDyIG薄膜的磁各向異性產(chǎn)生了調(diào)制作用。具體來說，施加OP電壓后，YDyIG薄膜中的兩個具有IP和OP分量的磁疇被選擇出來。在去除電壓后，這些磁疇的數(shù)量增加或成為主導(dǎo)磁疇。這種變化導(dǎo)致了薄膜的磁各向異性發(fā)生變化，從而影響了磁滯回線的形狀。這一發(fā)現(xiàn)為稀土石榴石在磁電子領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的思路和方向。

稀土鐵石榴石具有的明顯的磁各向異性也源于RTP快速退火爐的良好表現(xiàn)，RTP系列產(chǎn)品是武漢嘉儀通科技有限公司的核心產(chǎn)品，在薄膜材料制備及熱處理方面展現(xiàn)出諸多優(yōu)勢，形成鮮明的行業(yè)競爭力，為高質(zhì)量薄膜材料提供了快速升降溫、高穩(wěn)定性的、高均勻性的高溫場和氣氛保護(hù)或反應(yīng)氣體，具體表現(xiàn)在：

√ 快速升溫的高溫場能夠促進(jìn)激活材料，以促進(jìn)薄膜的結(jié)晶化，提高其薄膜的有序性和性能。

√ 高溫條件下的穩(wěn)定保溫有助于薄膜晶種持續(xù)穩(wěn)定的生長，獲得均勻性高的晶體尺寸；

√ 反應(yīng)氣氛填充有助于薄膜缺陷的消除，及時對晶體結(jié)構(gòu)的填充，形成致密的結(jié)晶相。

此外，嘉儀通快速退火爐（RTP，Rapid Thermal Processing）產(chǎn)品，采用紅外輻射加熱及冷壁技術(shù)，可實現(xiàn)對薄膜材料的快速升溫和降溫，同時搭配超高精度的溫度控制系統(tǒng)，可達(dá)到極佳的溫場均勻性和穩(wěn)定性。

嘉儀通(JouleYacht)快速退火爐系列可處理1-12吋樣品，對材料的金屬合金化、快速熱處理、快速熱退火、快速熱氧化及快速熱氮化等研究和生產(chǎn)起到重要作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] Azam M A, Bhattacharya D, Querlioz D, et al. Voltage control of domain walls in magnetic nanowires for energy-efficient neuromorphic devices[J]. Nanotechnology, 2020, 31(14): 145201.

[2] Gross M J, Misba W A, Hayashi K, et al. Voltage modulated magnetic anisotropy of rare earth iron garnet thin films on a piezoelectric substrate[J]. Applied Physics Letters, 2022, 121(25).

[3] Ning S, Kumar A, Klyukin K, et al. An antisite defect mechanism for room temperature ferroelectricity in orthoferrites[J]. Nature Communications, 2021, 12(1): 4298.