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Magnetische Eisengranatkristalle gehören zu einer größeren Gruppe von im Allgemeinen nicht magnetischen Materialien welche ursprünglich in natürlich vorkommenden Silicaten mit der allgemeinen Summenformel
{M2+}3[M3+]2(Si4+)3O12 beobachtet wurden.
Die Summenformel synthetisch hergestellter Granatkristalle lautet {c}3[a]2(d)3O12.
Die Kristalle besitzen eine kubisch innenzentrierte Enheitszelle bestehend aus 8 Formeleinheiten und gehören zur Raumgruppe Ia3d (Oh10).
Die einzelnen Gitterplätze unterscheiden sich durch ihre Sauerstoffkoordination. Die {c}-Plätze sind von 8 Sauerstoffionen umgeben, welche ein Dodekaeder aufspannen. Diese Plätze werden in den magnetischen Eisengranatkristallen meist von Seltenerdionen bzw. Yttrium oder Bismut besetzt.
Die [a]-Plätze haben eine sechsfache Sauerstoffkoordination und sind somit von einem Oktaeder umgeben. Die (d)-Plätze letztendlich
sind von einem Tetraeder aus vier Sauerstoffionen umgeben.
Die [a]- und (d)-Plätze werden von Eisen besetzt, welches teilweise durch diamagnetische Ionen substituiert wird, um die Magnetisierung der Kristalle zu verändern.
Eine schematische Darstellung der Einheitszelle ist in Abb. 1 dargestellt. |
Abb. 1 Darstellung der Einheitszelle eines Granatkristalls.
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Die gebräuchlichste Methode, um optisch hochwertige Granatschichten herzustellen, ist die Flüssigphasenepitaxie (engl.: liquid phase epitaxie (LPE)).
Bei dieser Methode wird ein Substratkristall in eine unterkühlte Schmelze getaucht, in der die Granatkomponenten in einem Lösungsmittel aus Bleioxid, Bismutoxid und Boroxid gelöst sind.
Der Granatkristall wächst dann gleichmäßig auf dem Substrat auf, welches in der Schmelze rotiert.
Durch die Schmelzzusammensetzung, die Wachstumstemperatur und die Rotationsfrequenz lassen sich die Kristalleigenschaften gezielt beeinflussen.
Abb. 2 zeigt eine Zeichnung eines typischen LPE-Ofens.
Als Substratkristalle kommen Gadolinium Gallium Granat (GGG) Kristalle zum Einsatz welche häufig zur Erhöhung der Gitterkonstante mit Ca, Mg und Zr substituiert werden.
Leider ist es bisher noch nicht gelungen einkristalline Granatfilme auf anderen Substraten aufwachsen zu lassen.
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Abb. 2 Schema eines Flüssigphasenepitaxie-Ofens.
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Die Granatkristalle weisen im Allgemeinen eine ausgezeichnete Achse für die Magnetisierung auf.
Diese Anisotropie hat einen Anteil, der durch den Wachstumsprozess hervorgerufen wird, und einen Anteil, der von Spannungen herrührt,
die durch leicht unterschiedliche Gitterkonstanten von aufgewachsenem Film und Substrat entstehen.
Ist diese ausgezeichnete Richtung senkrecht zur Filmoberfläche, so bilden sich magnetische Domänen, d.h. benachbarte Bereiche,
in denen die Magnetisierung in entgegengesetzte Richtungen zeigt (Abb. 3a).
Wird die Magnetisierung demgegenüber durch die Anisotropie in die Filmebene gezogen, so spricht man von in-plane Filmen (Abb. 3b).
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Abb. 3 Schematische Darstellung von Domänen- und in-plane Filmen.
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In Abb. 4a ist ein Bild das Domänenmuster eines Eisengranatfilms dargestellt, das mit Hilfe eines Polarisationsmikroskops aufgenommen wurde.
Der Kontrast kommt durch entgegengesetzte Vorzeichen der Faraday Drehung in den unterschiedlichen Domänen zustande.
In Abb. 4b sind sogenannte Flatterdomänen zu sehen. In diesem Fall werden die Domänen durch die Kubische Anisotropie hervorgerufen.
Die Magnetisierung in den unterschiedlichen Bereichen ist dabei nicht senkrecht zur Oberfläche, sondern nur um wenige Grad aus der Kristallebene herausgedreht.
Diese Domänen sind meist sehr großflächig und lassen sich mit kleinen äußeren Magnetfeldern beseitigen.
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 a)  b)
Abb. 4 a) Bild des Domänenmusters eines Eisengranatkristalls. b) Flatterdomänen in einem Eisengranatkristall.
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02/24/06
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