专利摘要

本发明涉及一种磁光晶体材料及其制备方法，所述磁光晶体材料的组成化学式为Sm1‑xRxFeO3，其中，R包括Gd、Tb、Yb、Er中至少一种，x的取值范围为0.2‑0.8。

权利要求

1.一种磁光晶体材料在自旋电子器件中的应用，其特征在于，所述磁光晶体材料的组成化学式为Sm1-xRxFeO3，其中，R为Tb，x为0.3，所述磁光晶体材料的单晶体自旋重取向温度范围在330K~360K之间，

所述磁光晶体材料通过如下制备方法制备：

1）根据所述磁光晶体材料的组成化学式，称量Sm2O3粉体、R2O3粉体和Fe2O3粉体，混合后在1000-1200℃下预烧，然后研磨得到原料粉体；

2）将步骤1）制备的原料粉体，先压制成圆柱体，再在垂直烧结炉中、1400-1560℃下烧结得到多晶料棒；

3）采用光学浮区法将步骤2）制备的多晶料棒用于生长晶体，籽晶为SmFeO3或RFeO3，光学浮区法的工艺参数包括：灯丝功率在65%-70%，上下棒旋转速度每分钟10-20转，生长速度1.0-4.0mm/小时，晶体生长在空气气氛或氧气气氛中进行，其空气流量为每分钟2-5L，氧气气氛时为每分钟0.2-1L。

2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，步骤1）中将Sm2O3、R2O3和Fe2O3混合后压制成块体再预烧，预烧的时间为10-15小时。

3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，步骤2）中，采用水等静压力机在60-100MPa下等静压，将原料粉体压制成圆柱体；烧结的时间为15-20小时。

4.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述制备方法还包括步骤4）：将步骤3）中生长完毕的晶体在800-1200℃退火时间为8-12小时。

说明书

技术领域

本发明涉及在RFeO3(R为稀土元素)掺杂Sm获得具有室温自旋重取向转变温度的Sm1-xRxFeO3磁光单晶体材料，属于材料设计领域。

背景技术

RFeO3正铁氧体(R为稀土元素)是具有独特的磁性质的磁光晶体材料。磁光晶体主要应用于制作光隔离器、磁光存储器及磁光调制器、光纤通信与集成光学器件、计算机存储、逻辑运算和传输功能、磁光显示、磁光记录等。RFeO3正铁氧体这一系列材料在快速磁光开关、磁光传感器、磁存储等器件的开发上，显示出巨大的应用潜力，受到国内外物理和材料研究工作者的广泛关注。

但是，一般稀土铁酸盐RFeO3的自旋重取向温度均在101K量级，如TmFeO3和HoFeO3自旋重取向温度分别为80K、38～52K(参见Nature.2004,429：6994；Nature Physics 2009,5：10)，所以目前基于稀土铁氧体单晶材料的研究成果都是在低温下获得的，从而阻碍了该系列材料的应用研究。

发明内容

本发明旨在克服现有稀土铁酸盐RFeO3在自旋重取向温度方面的性能缺陷，本发明提供了一种磁光晶体材料及其制备方法。

本发明提供了一种磁光晶体材料，所述磁光晶体材料的组成化学式为Sm1-xRxFeO3，其中，所述磁光晶体材料为单晶体，R包括Gd、Tb、Yb、Er中至少一种，x的取值范围为0.2-0.8。

较佳地，当R为Tb时，所述磁光晶体材料的单晶体自旋重取向温度范围在300-450K之间。

较佳地，当R为Gd时，所述磁光晶体材料的单晶体自旋重取向温度范围在240-400K之间。

较佳地，当R为Yb时，所述磁光晶体材料的单晶体自旋重取向温度范围在140-440K之间。

较佳地，当R为Er时，所述磁光晶体材料的单晶体自旋重取向温度范围在200-460K之间。

又，本发明还提供了一种上述磁光晶体材料的制备方法，所述方法包括：

1)根据所述磁光晶体材料的组成化学式，称量Sm2O3粉体、R2O3粉体和Fe2O3粉体，混合后在1000-1200℃下预烧，然后研磨得到原料粉体；

2)将步骤1)制备的原料粉体，先压制成圆柱体，再在垂直烧结炉中、1400-1560℃下烧结得到多晶料棒；

3)采用光学浮区法将步骤2)制备的多晶料棒用于生长晶体，籽晶为SmFeO3或RFeO3。

较佳地，步骤1)中将Sm2O3、R2O3和Fe2O3混合后压制成块体再预烧，预烧的时间为10-15小时。

较佳地，步骤2)中，采用水等静压力机在60-100MPa下等静压，将原料粉体压制成圆柱体；烧结的时间为15-20小时。

较佳地，步骤3)中，光学浮区法的工艺参数包括：灯丝功率在65％-70％，上下棒旋转速度每分钟10-20转，生长速度1.0-4.0mm/h，晶体生长在空气气氛或氧气气氛中进行其空气流量为每分钟2-5L，氧气气氛时为每分钟0.2-1L。

较佳地，所述制备方法还包括步骤4)：将步骤3)中生长完毕的晶体在800-1200℃退火时间为8-12小时。

本发明的有益效果：

SmFeO3在室温依然表现出优异的物理性能，在SmFeO3中掺入一定比例的稀土元素R，R3+部分取代SmFeO3晶格中的Sm3+获得具有室温自旋重取向温度的磁光晶体材料，并通过磁化强度的测试来筛选适宜的掺杂稀土元素R以及稀土R元素的最佳掺杂量。具有室温自旋重取向温度的稀土铁酸盐晶体，不仅具有非常重要的学术研究价值(如研究晶体的自旋输运机制、磁畴形成和运动机制以及室温下激光、电场、磁场诱导磁相变机制等)，也必将加速该系列材料在自旋电子器件中的应用。

附图说明

图1示出了本发明的一个实施方式中生长出的Sm1-xRxFeO3单晶体；

图2示出了本发明的一个实施方式中生长出的Sm0.7Tb0.3FeO3a、c两个方向晶片在相同条件下测得的磁化强度随温度的变化关系，其中曲线a表示[100]方向，曲线c表示[001]方向。

具体实施方式

以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

本发明涉及SmFeO3中掺杂稀土元素R3+(R为Tb、Er、Yb和Gd等)获得具有室温自旋重取向转变温度的Sm1-xRxFeO3磁光单晶体材料，属于材料设计领域。

其设计思想是：基于SmFeO3在室温依然表现出优异的物理性能，通过在SmFeO3中掺杂稀土元素R3+(R为Tb、Er、Yb和Gd等)获得具有室温自旋重取向温度的新型磁光晶体材料。

本发明提供了一种新型磁光单晶Sm1-xRxFeO3的设计及制备：选择合适的掺杂稀土元素R及其掺杂比例。初始原料由高纯(3N以上)Sm2O3、R2O3和Fe2O3组成，其中R为Gd、Tb、Yb、Er等稀土元素。

所述的单晶Sm1-xRxFeO3的设计及制备，包括组分设计、单晶生长、样品测试等内容：

(1)组分设计：本发明的关键在于组分设计。一般RFeO3(R为除了Sm之外的稀土元素)的自旋重取向温度很低，只有几十K左右，通过在SmFeO3中掺杂一定比例的其他稀土元素获得了具有室温自旋重取向温度的新型磁光晶体材料；

原料配方

初始原料采用Sm2O3和、R2O3(R为Tb、Er、Gd、Yb等稀土元素)和Fe2O3，三种原料按摩尔比等于1-x:x∶1进行配料；

(2)单晶生长：按配方比例称取所有原料，充分混合均匀后压制成块，然后在马弗炉中1000℃预烧10h，之后再将原料进行研磨，将原料装入乳胶套中，用水等静压力机在60～100MPa压力下等静压成圆柱形料棒。原料棒在垂直烧结炉以1400－1560℃烧结10-20h，使其充分反应得到多晶料棒。再采用光学浮区法生长上述单晶体，籽晶采用结晶良好的SmFeO3单晶或RFeO3单晶，晶体生长在空气气氛或氧气气氛中进行。生长完成后，在马弗炉中退火10h；

(3)样品测试：将生长出的单晶体劳厄定向后切割成晶片，抛光后在物性测量系统(PPMS-9,Quantum Design Inc.)上测试不同晶向的磁化强度随温度的变化关系。根据磁化强度随温度的变化关系得到其自旋重取向温度范围，以此来确定Sm1-xRxFeO3中适宜的掺杂元素R以及稀土R元素的最佳掺杂量；

即将上述生长出的单晶体Sm1-xRxFeO3利用劳厄定向后并切割成晶片，然后抛光在物性测量系统(PPMS-9,Quantum Design Inc.)上测试不同晶向的磁化强度随温度的变化关系，确定Sm1-xRxFeO3单晶体材料中适宜的掺杂稀土元素R以及稀土R元素的最佳掺杂量。图2所示为相同条件下测得的Sm0.7Tb0.3FeO3单晶体不同晶向的磁化强度随温度的变化关系。图中曲线a表示[100]方向，曲线c表示[001]方向。从图中可看出低温下[100]晶向比[001]晶向更容易磁化，在350K附近易磁化轴由[100]晶向转变至[001]晶向，单晶体自旋重取向温度范围在330K～360K。

通过在SmFeO3中掺杂其他稀土元素R以获得具有室温自旋重取向的Sm1-xRxFeO3的单晶。

通过磁化强度的测试来进一步确定Sm1-xRxFeO3中适宜的掺杂元素R及稀土R元素的最佳掺杂量。

本发明是基于SmFeO3的高自旋重取向温度，通过在SmFeO3的基体中掺入适量的R(R为Tb、Gd、Er等稀土元素)，获得一系列具有室温自旋重取向转变温度的新型磁光单晶体材料晶体Sm1-xRxFeO3，该类晶体自旋重取向温度高于室温，可用于开发自旋开关、磁光传感器等器件。

SmFeO3在室温依然表现出优异的物理性能，在SmFeO3中掺入一定比例的稀土元素R，R3+部分取代SmFeO3晶格中的Sm3+获得具有室温自旋重取向温度的磁光晶体材料，并通过磁化强度的测试来筛选适宜的掺杂稀土元素R以及稀土R元素的最佳掺杂量。具有室温自旋重取向温度的稀土铁酸盐晶体，不仅具有非常重要的学术研究价值(如研究晶体的自旋输运机制、磁畴形成和运动机制以及室温下激光、电场、磁场诱导磁相变机制等)，也必将加速该系列材料在自旋电子器件中的应用。

下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

实施例1：生长Sm0.7Tb0.3FeO3单晶体

将Sm2O3和、Tb2O3和Fe2O3，三种原料按摩尔比为0.7:0.3∶1进行配料，机械混合均匀后，1100℃预烧10h,采用60MP等静压压力下压成棒状，在马弗炉中1500℃烧结20h，装入光学浮区生长炉中，光学浮区法的工艺参数：灯丝功率在67.5％，上下棒旋转速度每分钟15转，生长速度1.0-2.0mm/h以激光聚焦加热，在空气气氛中生长晶体(如图1所示)。将生长出的Sm0.7Tb0.3FeO3单晶体劳厄定向并切割成晶片，抛光后在物性测量系统(PPMS-9,QuantumDesign Inc.)上测试不同晶向晶体的磁化强度随温度的变化关系得到晶体的自旋重取向温度。图2所示为相同条件下测得的Sm0.7Tb0.3FeO3单晶体不同晶向的磁化强度随温度的变化关系。图中曲线a表示[100]方向，曲线c表示[001]方向。从图中可看出，在350K附近易磁化轴由[100]晶向转变至[001]晶向，单晶体自旋重取向温度范围在330K～360K。

实施例2：生长Sm0.6Gd0.4FeO3单晶体

将Sm2O3和、Gd2O3和Fe2O3，三种原料按摩尔比为0.6:0.4∶1进行配料，机械混合均匀后，1000℃预烧10h,采用80MP等静压压力下压成棒状，在马弗炉中1400℃烧结20h，装入光学浮区生长炉中，光学浮区法的工艺参数：灯丝功率在65.7％，上下棒旋转速度每分钟20转，生长速度2.0-3.0mm/h，以激光聚焦加热，在空气气氛中生长晶体。将生长出的Sm0.6Gd0.4FeO3单晶体劳厄定向并切割成晶片，抛光后在物性测量系统(PPMS-9,QuantumDesign Inc.)上测试不同晶向晶体的磁化强度随温度的变化关系得到晶体的自旋重取向温度。Sm0.6Gd0.4FeO3单晶体的自旋重取向温度范围在260K～330K。

实施例3：生长Sm0.8Er0.2FeO3单晶体

将Sm2O3和、Er2O3和Fe2O3，三种原料按摩尔比为0.8:0.2∶1进行配料，机械混合均匀后，1000℃预烧10h,采用100MP等静压压力下压成棒状，在马弗炉中1400℃烧结15h，装入光学浮区生长炉中，光学浮区法的工艺参数：灯丝功率在66％，上下棒旋转速度每分钟15转，生长速度1.0-2.0mm/h，以激光聚焦加热，在空气气氛中生长晶体。将生长出的Sm0.8Er0.2FeO3单晶体劳厄定向并切割成晶片，抛光后在物性测量系统(PPMS-9,QuantumDesign Inc.)上测试不同晶向晶体的磁化强度随温度的变化关系得到晶体的自旋重取向温度。Sm0.8Er0.2FeO3单晶体的自旋重取向温度范围在395K～440K。

实施例4：生长Sm0.7Yb0.3FeO3单晶体

将Sm2O3和、Yb2O3和Fe2O3，三种原料按摩尔比为0.7:0.3∶1进行配料，机械混合均匀后，1000℃预烧12h,采用90MP等静压压力下压成棒状，在马弗炉中1450℃烧结15h，装入光学浮区生长炉中，光学浮区法的工艺参数：灯丝功率在68.5％，上下棒旋转速度每分钟20转，生长速度3.0-4.0mm/h，以激光聚焦加热，在空气或氧气气氛中生长晶体。将生长出的Sm0.7Yb0.3FeO3单晶体劳厄定向并切割成晶片，抛光后在物性测量系统(PPMS-9,QuantumDesign Inc.)上测试不同晶向晶体的磁化强度随温度的变化关系得到晶体的自旋重取向温度。Sm0.7Yb0.3FeO3单晶体的自旋重取向温度范围在160K～300K。

一种磁光晶体材料及其制备方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。