Growth of Y3Fe5O12 Thin Films on Gd3Ga5O12 Substrates by Pulsed Laser Deposition (PLD)

Abstract

In this study, deposition pressure and temperature values changed in order to determine optimal growth conditions for (111) oriented Y₃Fe₅O₁₂ (YIG) thin films on (111) oriented Gd₃Ga₅O₁₂ (GGG) substrate by pulsed laser deposition (PLD) technique. Deposition pressure changed from 100 mTorr to 250 mTorr with 50 mTorr steps considering physical structure of plasma plume during growths and 560, 640, 720 and 800 °C selected as deposition temperatures in order to see temperature effect in this pressure range. Except for pressure and temperature, other variables like number of pulses, repetition frequency, heating and cooling speed, target-substrate distance, laser excitation energy and annealing conditions fixed during depositions. X-Ray Diffraction (XRD) and Scanning Electron Microscopy (SEM) techniques were used in order to examine prepared thin films. Since YIG and GGG have the same crystal structure and have matching XRD data, Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (EDX) was used to determine whether growth was successful. The analysis showed that YIG/GGG thin films were successfully grown and the optimum growth conditions were obtained at 100 mTorr and 800 °C.

Keywords

• Y3Fe5O12 (YIG),Gd3Ga5O12 (GGG),pulsed laser deposition (PLD),thin film

Y3Fe5O12 İnce Filmlerin Gd3Ga5O12 Alttaş Üzerine Darbeli Lazer Biriktirme (PLD) Yöntemiyle Büyütülmesi

Abstract

Bu çalışmada, Darbeli Lazer Biriktirme (PLD) tekniği ile (111) yönelimine sahip Gd₃Ga₅O₁₂ (GGG) alttaş üzerine, basınç ve sıcaklık değerleri değiştirilerek (111) yönelimine sahip Y₃Fe₅O₁₂ (YIG) ince film büyütmek için en uygun büyütme şartı belirlenmeye çalışılmıştır. Büyütme işlemi sırasında oluşan plazma bulutunun fiziksel yapısı göz önüne alınarak, 50 mTorr’luk adımlarla 100 mTorr’dan 250 mTorr’a kadar büyütme basıncı değiştirilmiş ve bu basınç aralığında sıcaklığın etkisini görmek amacıyla 560, 640, 720 ve 800 °C’de büyütmeler yapılmıştır. Büyütmeler sırasında basınç ve sıcaklık değişkenleri haricinde; atış sayısı, tekrarlama frekansı, ısıtma ve soğutma hızı, hedef-alttaş mesafesi, lazer uyarma enerjisi ve tavlama şartları sabit tutulmuştur. Hazırlanan filmlerin incelenmesi için X-Işını Kırınımı (XRD) ve Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) kullanılmıştır. YIG ve GGG’nin aynı kristal yapıda olması ve aynı XRD verisine sahip olması nedeniyle, büyütmenin başarılı olup olmadığının anlaşılması için Enerji Dağılımlı X-Işını Spektrometresi (EDX) kullanılmıştır. Yapılan analizler incelendiğinde YIG/GGG filmlerin başarıyla büyütüldüğü görülmüş ve en uygun büyütme koşulunun 100 mTorr ve 800 °C’de elde edildiği görülmüştür.

Keywords

• Y3Fe5O12 (YIG),Gd3Ga5O12 (GGG),darbeli lazer biriktirme (PLD),ince film

References

1. Andlauer, B., Schneider, J., & Wettling, W. 1976. “Optical and magneto-optical properties of YIG and FeBO3”, Applied physics, 10(3), 189-201. Atalay, S., Kolat, V. S., Bakır, H. G., Izgi, T., Kaya, A. O., Kaya, O. A., & Gencer, H. 2015. “Surface modification of YIG by magnet array”, Applied surface science, 354, 337-341.
2. Chumak, A., Serga, A., Hillebrands, B., & Kostylev, M. 2008. “Scattering of backward spin waves in a one-dimensional magnonic crystal”, Applied Physics Letters, 93(2), 022508.
3. Higuchi, S., Ueda, K., Yahiro, F., Nakata, Y., Uetsuhara, H., Okada, T., & Maeda, M. 2001. “Fabrications of cerium-substituted YIG thin films for magnetic field sensor by pulsed-laser deposition”, Ieee Transactions on Magnetics, 37(4), 2451-2453.
4. Huang, M., & Xu, Z. C. 2005. “Wavelength and temperature characteristics of BiYbIG film/YIG crystal composite structure for magneto-optical applications”, Applied Physics A, 81(1), 193-196.
5. Ibrahim, N. B., Edwards, C., & Palmer, S. B. 2000. “Pulsed laser ablation deposition of yttrium iron garnet and cerium-substituted YIG films”, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 220(2-3), 183-194.
6. Kruglyak, V., Demokritov, S., & Grundler, D. 2010. “Magnonics”, Journal of Physics D: Applied Physics, 43(26), 264001.
7. Lee, S. Y., Jia, Q. X., Anderson, W. A., & Shaw, D. T. 1991. “In situ laser deposition of superconducting YBa2Cu3O7−x thin films on GaAs substrates”, Journal of Applied Physics, 70(11), 7170-7170.
8. Onbasli, M., Kehlberger, A., Kim, D., Jakob, G., Kläui, M., Chumak, A., . . . Ross, C. 2014. “Pulsed laser deposition of epitaxial yttrium iron garnet films with low Gilbert damping and bulk-like magnetization”, APL Materials, 2(10), 106102.

9. Razeghi, M., Meunier, P. L., & Maurel, P. 1986. “Growth of GaInAs‐InP multiquantum wells on garnet (GGG=Gd3Ga5O12) substrate by metalorganic chemical vapor deposition”, Journal of Applied Physics, 59(6), 2261-2263.
10. Serga, A. A., Chumak, A. V., & Hillebrands, B. 2010. “YIG magnonics”, Journal of Physics D: Applied Physics, 43(26), 264002.
11. Yurtcan, M. T., Simsek, O., & Ertugrul, M. 2011. “Darbeli Lazer Yığma Sistemi ile YBCO İnce Filmlerin Büyütülmesi”, Erzincan Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 4(2), 157-167.