通讯作者：

陈蓉，华中科技大学

曹坤，华中科技大学

作者：Zerui Jin (金泽睿), Huajun Zhou (周华俊), Xiaodong Zhang (张晓东), Kun Cao (曹坤), Rong Chen (陈蓉)

背景介绍

随着信息技术及网络技术的日益发展，移动电子设备和物联网技术的普及，人们的生产生活已经进入到更方便、更迅速、更快捷的大数据时代。光芯片与通讯器件是后摩尔时代重要发展方向，硅基光电子学近年来发展迅速，大量光学器件，如激光器、光探测器、光调制器、波分复用及模式复用器件已率先在硅基平台上完成了高性能的集成，但是以光隔离器和光环行器为代表的磁光器件的片上集成依旧处于探索阶段，其中高性能磁光材料的薄膜制备技术至关重要。

文章亮点

磁光器件中主要使用的材料为钇铁石榴石及其掺杂材料，该种材料在红外通讯波段近乎透明，具有较小的光学吸收，但是依旧存在较大的问题，首先在进行快速退火过程中由于衬底硅与磁光薄膜存在较大的热胀系数的差异，高温条件下存在热应力，会导致薄膜的开裂，热应力也会导致薄膜结晶困难与结晶性的下降；其次，高温会导致衬底与薄膜之间元素的相互扩散问题，扩散问题会引入额外的光学吸收，导致材料的磁光优值的下降不利于集成器件的制备。在实验初期通过比较键合工艺、液相外延工艺、磁控溅射工艺与脉冲激光沉积（PLD）工艺，由于脉冲激光沉积具备定向性强、薄膜成分可控等优势，最终确定以脉冲激光沉积法制备沉积位置可控的磁光薄膜。

华中科技大学陈蓉教授、曹坤副教授团队针对于上述挑战，采用脉冲激光沉积技术实现铈掺杂钇铁石榴石材料（Ce:YIG）薄膜在硅基底上的高质量沉积，通过引入MgO中间层的方式，增强Ce:YIG薄膜的结晶质量，改善热扩散与热失配导致的结晶性不佳的问题，最终实现大法拉第旋光系数与较高的磁光优值。通过沉积不同厚度的MgO中间层进行探索，最终得到高结晶质量的Ce:YIG薄膜，实现磁光性能约38%的提升，同时磁学性能提升约15%，达到磁光优值约31°/dB。该方法可能对制备磁光材料与磁光器件提供帮助。

图1.（a）使用MgO界面层将YIG/Ce:YIG的石榴石双层集成到硅上的示意图。硅衬底上40MgO/YIG/Ce:YIG的TEM分析。（b） Si、Mg、Fe、Y、Ce的EDS元素图（c）薄膜叠层的横截面图；（d） 选定界面区域的高分辨率图像；（e-f）MgO界面层上元素的线分布。

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图2.?YIG/Ce:YIG和MgO/YIG/Ce:YIG的XRD光谱。（a） 不同退火周期后YIG/Ce:YIG样品的2θ扫描的比较。（b） 距（a）31°~33°。（c） 比较不同MgO厚度的MgO/YIG/Ce:YIG样品的2θ扫描，其中退火时间为2小时。YIG/Ce:YIG与MgO/YIG/Ce:YIG的表面形貌（d）（0~40nm）MgO/YIG/CeYIG和Si的AFM图像。（e）YIG/Ce：YIG双层的粒度和表面粗糙度随MgO层厚度的变化。

图3.?40MgO/YIG/Ce:YIG的XPS光谱（a）（b）分别拟合了真空和空气中退火样品Fe2p的高分辨率光谱；（c）（d）分别从真空和空气中退火的样品中拟合Ce3d的高分辨率光谱；（e） Si2p中的高分辨率光谱；（f） 全光谱。

?通过对全谱的分析可以看到在YIG表面观测到Si的2P峰，这是由于元素扩撒造成的，我们通过原位与退火炉中的缓慢退火得到界面应力缓慢释放的薄膜，薄膜表面不存在裂痕，但是不可避免存在Si元素的向上扩散，这与XRD谱线TEM扫描形成对应，通过引入MgO我们在XPS谱线上找不到Si2P峰，说明我们的MgO的引入达到了效果。

图4.?YIG/Ce:YIG与MgO/YIG/Ce：YIG的磁性和磁光性质。（a） 平面内磁滞回线；（b） 平面外磁滞回线；（c） 40MgO/YIG/Ce:YIG的平面内和平面外磁滞回线的比较；（d） 法拉第旋转。YIG/Ce:YIG vs.MgO/YIG/Ce：YIG的光学性质。（e） 近红外范围的透射光谱，（f）折射率和消光系数光谱。

?总结/展望

?自旋电子器件由于其操纵电子自旋，在信息存储、处理或传输中发挥了巨大的作用，与传统电子产品相比，自旋电子器件可以有效地解决相对于传统的电子器件的高功耗、低存储密度、易失性等问题。通过探究磁光材料的高质量制备为磁光器件的集成提供了可靠前提，为磁光调制、磁光隔离磁光探测与磁光存储中钇铁石榴石的高质量制备提供了一种解决方案，对降低光损耗，提升法拉第旋光系数最终实现低插入损耗与更小的集成器件具有重要影响。相关文章发表在期刊ACS Materials Letters上，华中科技大学机械学院硕士研究生金泽睿为文章第一作者，陈蓉教授与曹坤副教授为共同通讯作者。

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