Феррит-гранаты

Редкоземельные феррит-ганаты характеризуются общей форму­лой R₃Fe₅O1₂ и представляют собой окислы с кубической структурой. Ионы О^2- образуют плотноупакованную структуру, в пустотах между ионами кислорода размещаются редкоземельные ионы и ионы железа либо частично замещающие их элементы. В структуре граната наблю­даются три вида пустот — додекаэдрические, октаэдрические и тетраэдрические в соответствии с количеством ионов кислорода, окружаю­щих катион металла. В первом случае катион металла окружен восемью ионами кислорода, во втором — шестью, а в третьем — четырьмя. Обычно катионы редких земель занимают додекаэдрические позиции (R³⁺), катионы железа — октаэдрические (Fe³⁺) и тетраэдрические (Fe³⁺). Ионы железа, находящиеся в октаэдрических позициях, формируют октаэдрическую магнитную подрешетку, а ионы железа, расположен­ные в тетраэдрических позициях, — тетраэдрическую магнитную под-решетку. Между этими ионами железа существует сильное обменное взаимодействие, приводящее к антипараллельному упорядочению маг-

нитных моментов, и потому феррит-гранаты относятся к классу ферри-магнетиков.

Если додекаэдрические позиции заняты магнитными редкоземель­ными ионами, то они формируют третью магнитную подрешетку — до-декаэдрическую. Обменное взаимодействие между редкоземельными ионами намного меньше, чем между ионами железа.

Феррит-гранаты характеризуются высокой прозрачностью в ближ­ней ИК-области спектра. Так, иттриевый феррит-гранат Y₃Fe₅O₁₂ имеет окно прозрачности в области длин волн 1,3-5,5 мкм, и в некоторых образцах коэффициент поглощения не превышал 3-10^-2 см^-1в этой спек­тральной области. При длинах λ > 5,5 мкм наблюдается решеточное положение, а при λ< 1,5 поглощение связано с краем собственного по­глощения. При λ > 100 мкм вплоть до СВЧ-диапазона феррит-гранаты обладают высокой прозрачностью, а уровень поглощения в них опреде­ляется дефектами кристаллической решетки. Для задачи прикладной магнитооптики основной интерес представляют видимая и ближняя ИК-области спектра.

Оптические свойства редкоземельных феррит-гранатов в основном определяются ионами железа, и на фоне сравнительно слабого погло­щения возникают узкие пики поглощения, связанные с электронными переходами внутри частично заполненной 4f оболочки редкоземельных ионов. Коэффициент поглощения в области этих пиков достигает вели­чины порядка 10²см^-1. Пики поглощения, связанные с электронными переходами в редкоземельных ионах, присутствуют и в спектрах немаг­нитных фанатов, что оганичивает их применимость в качестве подло­жечного материала.

Другим фактором, сильно влияющим на поглощение феррит-Фанатов, является температура. С ростом температуры край окна про­зрачности смещается в область больших значений длин волн, что обу­словлено, прежде всего, уширением пиков поглощения, а также слабым смещением центра переходов в ИК-область.

Эффект Фарадея в Y₃Fe5O12 относительно невелик. Так, при длине λ = 0,63 мкм при комнатной температуре θ_F = 0,083 град/мкм и макси­мум фарадеевского вращения, равный 2,8 град/мкм, достигается в об­ласти λ = 0,435 мкм. Существование интенсивных электрических дипольных переходов между 4f- и 5d-уровнями редкоземельных ионов и переходов с переносом заряда от ионов кислорода на редкоземельные ионы существенно влияет на магнитооптические свойства редкоземель­ных феррит-фанатов в инфракрасной и видимой областях спектра. Особенно сильно влияние сказывается при низких температурах, по­скольку намагниченность редкоземельной подрешетки растет с умень­шением температуры быстрее, чем намагниченность октаэдрической и тетраэдрической подрешеток. При переходе точки магнитной компен­сации в редкоземельных феррит-гранатах происходит смена знаков не­четных магнитооптических эффектов.

В связи с тем, что для прикладной магнитооптики необходимы ма­териалы с сильным фарадеевским вращением и слабым оптическим по­глощением, для сравнения магнитооптических материалов вводят ха- рактеристический параметр — магнитооптическую добротность \|/, оп­ределяемый как отношение удвоенного удельного фарадеевского вра­щения к коэффициенту поглощения материала а:

2θ _F

\|/ = —

ά

В частности, магнитооптическая добротность имеет три четко вы­раженных максимума на спектральной зависимости у в висмутсодер­жащих феррит-фанатах в областях λ = 0,56, 0,78 и 1,15 мкм.