基于c位掺杂的钇铁石榴石单晶生长与磁光性能优化研究进展

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2026.0100

人工晶体学报 ›› 2026, Vol. 55 ›› Issue (9): 1323-1343.DOI: 10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2026.0100

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基于c位掺杂的钇铁石榴石单晶生长与磁光性能优化研究进展

萧梵¹^,²(), 杨晓明¹^,²(), 龙西法¹^,², 潘世烈¹^,²

^1.中国科学院新疆理化技术研究所，中国科学院特殊环境功能材料与器件重点实验室，乌鲁木齐 830011
^2.中国科学院大学材料科学与光电技术学院，北京 100049

收稿日期:2026-05-25 出版日期:2026-09-20 发布日期:2026-09-29
通信作者: 杨晓明，博士，副研究员。E-mail：xmyang@ms.xjb.ac.cn
作者简介:萧梵（2000—），女，广东省人，博士研究生。E-mail：xiaofan231@mails.ucas.ac.cn
杨晓明，中国科学院新疆理化技术研究所副研究员、硕士生导师。主要从事磁光晶体及器件研制。主持国防科工局规划项目课题、院战略先导B课题、国家自然科学基金面上、自治区重点等项目；在AFM、Acta Mater等期刊发表论文70余篇；申请发明专利20余项。担任科技部攻关项目评审专家、“稀土科学技术奖”评审专家、福建省硅酸盐学会理事等。
基金资助:
国家自然科学基金(52572018);中国科学院战略性先导科技专项(XDB0880000);中国科学院青年创新促进会(2023317)

Research Progress on c-Site Doping for Single Crystal Growth and Magneto-Optical Performance Optimization of Yttrium Iron Garnet

XIAO Fan¹^,²(), YANG Xiaoming¹^,²(), LONG Xifa¹^,², PAN Shilie¹^,²

^1.CAS Key Laboratory of Functional Materials and Devices for Special Environmental Conditions，Xinjiang Technical Institute of Physics and Chemistry，Chinese Academy of Sciences，Urumqi 830011，China
^2.Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering，University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China

Received:2026-05-25 Online:2026-09-20 Published:2026-09-29

摘要/Abstract

摘要： 钇铁石榴石（Y₃Fe₅O₁₂， YIG）凭借在近中红外波段优异的光学透明性、高法拉第旋转效应、低光吸收损耗及高居里温度，成为新一代光隔离器、磁光开关及集成光子学中极具潜力的功能材料。随着5G/6G光通信、光纤陀螺及量子计算等领域的快速发展，对高性能、低功耗磁光器件的需求日益迫切，这要求YIG单晶同时具备大磁光效应、低插入损耗及良好的温度稳定性。然而，YIG具有非一致熔融特性，难以通过传统的提拉法生长高质量单晶，助熔剂法成为制备YIG单晶的关键技术途径。本文系统梳理了助熔剂法生长YIG单晶工艺发展历程，重点分析了Bi³⁺和以Tb³⁺、Ce³⁺、Gd³⁺、Dy³⁺为代表的稀土离子在十二面体c位的选择性占位机制与电荷补偿原理。从磁光效应的微观机制来看，掺杂离子主要通过增强自旋-轨道耦合作用、引入新的4f-5d跃迁通道或改变Fe³⁺子晶格上的超交换作用，从而显著提升法拉第旋转效应。在此基础上，本文进一步探讨了离子掺杂对近中红外波段磁光性能的调控规律及温度稳定性优化策略，并指出当前在掺杂均匀性、晶体缺陷控制及宽波段磁光响应等方面面临的技术挑战，展望了未来面向集成光子学的磁光单晶发展趋势。

关键词: 钇铁石榴石; 助熔剂法; 稀土掺杂; 磁光晶体; 法拉第效应; 单晶生长

Abstract: Yttrium iron garnet （Y₃Fe₅O₁₂， YIG） has emerged as a highly promising functional material for next-generation optical isolators， magneto-optical switches， and integrated photonic devices， owing to its excellent optical transparency， strong Faraday rotation， low optical absorption loss， and high Curie temperature in the near- to mid-infrared spectral region. The rapid advancement of 5G/6G optical communications， fiber-optic gyroscopes， and quantum computing imposes increasingly stringent demands for high-performance， low-power magneto-optical devices， which in turn require YIG single crystals to combine a large magneto-optical response with low insertion loss and robust temperature stability. However， the incongruent melting behavior of YIG precludes the growth of high-quality single crystals by conventional Czochralski pulling， making the flux method the critical technological route for YIG crystal fabrication. This review provides a systematic overview of the evolution of flux-based growth techniques for YIG single crystals， with emphasis on the selective occupation mechanisms at the dodecahedral c-site and the associated charge-compensation principles of Bi³⁺ and representative rare-earth ions such as Tb³⁺， Ce³⁺， Gd³⁺， and Dy³⁺. From the perspective of the microscopic origins of the magneto-optical effect， the incorporation of these ions enhances the Faraday rotation predominantly by strengthening spin-orbit coupling， introducing new 4f-5d transition channels， or modifying the super-exchange interactions among the Fe³⁺ sublattices. Building on these fundamentals， this review further discusses the strategies for tailoring the magneto-optical performance in the near- to mid-infrared region and for optimizing temperature stability through ion doping. Current technical challenges， including doping homogeneity， crystal defect control， and broadband magneto-optical response， are analyzed， and future directions toward integrated-photonics-oriented magneto-optical single crystals are outlined.

Key words: yttrium iron garnet （YIG）; flux method; rare-earth doping; magneto-optical crystal; Faraday effect; single crystal growth

中图分类号:

O742⁺.9

萧梵, 杨晓明, 龙西法, 潘世烈. 基于c位掺杂的钇铁石榴石单晶生长与磁光性能优化研究进展[J]. 人工晶体学报, 2026, 55(9): 1323-1343.

XIAO Fan, YANG Xiaoming, LONG Xifa, PAN Shilie. Research Progress on c-Site Doping for Single Crystal Growth and Magneto-Optical Performance Optimization of Yttrium Iron Garnet[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2026, 55(9): 1323-1343.

图/表 16

图1 法拉第效应示意图［7］

Fig.1 Schematic diagram of the Faraday effect［7］

图2 稀土铁石榴石的法拉第旋转光谱［33］

Fig.2 Faraday rotation spectra for rare-earth iron garnets［33］

图3 Fe2O3-Y2O3体系的赝二元相图［40］

Fig.3 Pseudo-binary phase diagram of Fe2O3-Y2O3 system［40］

图4 助熔剂法制备的部分YIG晶体［43］

Fig.4 Partially YIG crystals prepared by the flux method［43］

图5 YIG单晶的XRD图谱及晶胞结构［43］。（a）XRD图谱和标准衍射卡片；（b）石榴石晶胞结构；（c）正离子位置及子晶格结构；（d）阳离子的氧配位环境

Fig.5 XRD pattern and crystal structure of YIG single crystal［43］. （a） XRD pattern and standard diffraction card；（b） garnet structure；（c） positions and sublattice structure of positive ions；（d） oxygen coordination of positive ions

表1 掺杂元素在YIG中的占位及离子半径（通过十二面体晶格场计算得到的有效离子半径，配位数8，24c位）［56，62?64］

Table 1 Lattice sites and ion radius of elements substituted into YIG （the effective ion radius by dodecahedron crystalline field， CN=8， 24c lattice site）［56，62?64］

Ion	Ionic radius/nm	Ion	Ionic radius/nm	Ion	Ionic radius/nm
Pb²⁺	0.129 0	Nd³⁺	0.112 0	Y³⁺	0.101 6
La³⁺	0.119 0	Sm³⁺	0.108 7	Ho³⁺	0.101 5
Ce³⁺	0.115 5	Eu³⁺	0.103 7	Er³⁺	0.100 4
Pr³⁺	0.113 7	Gd³⁺	0.105 7	Tm³⁺	0.099 1
Bi³⁺	0.113 2	Tb³⁺	0.104 4	Yb³⁺	0.098 1
Ca²⁺	0.112 4	Dy³⁺	0.103 0	Lu³⁺	0.097 2

表2 掺杂元素在YIG中的占位及离子半径（八面体晶格场计算得到的有效离子半径，配位数6，16a位）［56，62?64］

Table 2 Lattice sites and ion radius of elements substituted into YIG （the effective ion radius by octahedron crystalline field， CN=6， 16a lattice site）［56，62?64］

Ion	Ionic radius/nm	Ion	Ionic radius/nm	Ion	Ionic radius/nm
Yb³⁺	0.086 8	Zr⁴⁺	0.074 5	Pt⁴⁺	0.062 5
Lu³⁺	0.086 1	Zn²⁺	0.074 0	Ga³⁺	0.061 5
In³⁺	0.079 2	Cu²⁺	0.073 0	Cr³⁺	0.061 2
Fe²⁺	0.078 0	Mg²⁺	0.072 0	Fe⁴⁺	0.058 5
Co²⁺	0.074 5	Sn⁴⁺	0.070 8	Ti⁴⁺	0.058 2
Sc³⁺	0.074 5	Fe³⁺	0.064 2	Al³⁺	0.053 9

表3 掺杂元素在YIG中的占位及离子半径（通过四面体晶格场计算得到的有效离子半径，配位数4，24d位）［56，62?64］

Table 3 Lattice sites and ion radius of elements substituted into YIG （the effective ion radius by tetrahedron crystalline field， CN=4， 24d lattice site）［56，62?64］

Ion	Ionic radius/nm	Ion	Ionic radius/nm	Ion	Ionic radius/nm
Fe³⁺	0.049 2	Al³⁺	0.039 0	V⁵⁺	0.037 0
Ga³⁺	0.047 2	Ge⁴⁺	0.039 0	Si⁴⁺	0.027 9

表4 （类）稀土元素的电子构型与氧化价态

Table 4 Electronic configuration and oxidation states of （like-） rare earth elements

Ion species	Electronic configuration	Oxidation state	Ion species	Electronic configuration	Oxidation state
La	［Xe］4f⁰5d¹6s²	+3	Tb	［Xe］4f⁹6s²	+3，+4
Ce	［Xe］4f¹5d¹6s²	+3，+4	Dy	［Xe］4f¹⁰6s²	+3
Pr	［Xe］4f³6s²	+3，+4	Ho	［Xe］4f¹¹6s²	+3
Nd	［Xe］4f⁴6s²	+3	Er	［Xe］4f¹²6s²	+3
Pm	［Xe］4f⁵6s²	+3	Tm	［Xe］4f¹³6s²	+2，+3
Sm	［Xe］4f⁶6s²	+2，+3	Yb	［Xe］4f¹⁴6s²	+2，+3
Eu	［Xe］4f⁷6s²	+2，+3	Lu	［Xe］4f¹⁴5d¹6s²	+3
Gd	［Xe］4f⁷5d¹6s²	+3	Bi	［Xe］4f¹⁴5d¹⁰6s²6p³	+3

图6 磁光隔离器示意图［7］

Fig.6 Schematic diagram of magneto-optical isolator［7］

图7 Bi∶YIG的热重分析与磁学性能［83］。（a）Y2.0Bi1.0Fe5O12前驱体的TG和DTA特性曲线；（b）Y3Fe5O12颗粒的磁滞回线；（c）饱和磁化强度（MS）随平均颗粒尺寸（D）的变化曲线；（d）饱和磁化强度（MS）随Bi掺杂量（x）的变化曲线

Fig.7 Thermogravimetric analysis and magnetic properties of Bi∶YIG［83］. （a） TG and DTA curves of Y2.0Bi1.0Fe5O12 precursor；（b） hysteresis loop curve of Y3Fe5O12 particles；（c） variation of saturation magnetization （MS） with the average particle size （D）；（d） variation of saturation magnetization （MS） with the Bi concentration （x）

图8 （110）取向的YIG晶体（a）和Bi∶TbIG晶体（b）的磁滞回线［89］

Fig.8 Magnetic hysteresis loops of （110） oriented YIG crystal （a） and Bi∶TbIG crystal （b）［89］

图9 Ce∶YIG的磁光性质［47］。（a）室温Ce∶YIG的法拉第旋转角曲线；（b）1 150 nm波长下200 μm厚的Ce0.349Eu0.195Y2.456Fe5O12晶片的法拉第旋转与磁滞回线的图谱；（c）780和1 150 nm波长下Ce含量对法拉第旋转角的影响，图中也展示了Bi取代石榴石的法拉第旋转角作为对比；（d）室温Ce0.349Eu0.195Y2.456Fe5O12晶体的近红外透射光谱

Fig.9 Magneto-optical properties of Ce∶YIG［47］. （a） Faraday rotation angle curve of Ce∶YIG at room temperature；（b） Faraday rotation versus magnetic hysteresis loops in a magnetic field for a 200 μm-thick Ce0.349Eu0.195Y2.456Fe5O12 single crystal slice sample at a wavelength of 1 150 nm；（c） Ce content dependence of the specific Faraday rotation at 780 and 1 150 nm， Faraday rotation of Bi-substituted garnets also shown for comparison；（d） near infrared transmission spectrum of Ce0.349Eu0.195Y2.456Fe5O12 crystal at room temperature

图10 Gd∶YIG的晶体形貌与物相分析［103］。（a）Gd∶YIG晶体；（b）Gd∶YIG晶体的粉末XRD图谱；（c）晶胞结构；（d）YIG和Gd∶YIG晶体的红外光谱

Fig.10 Crystal morphology and phase analysis of Gd∶YIG［103］. （a） As-grown Gd∶YIG crystal；（b） powder XRD patterns of Gd∶YIG crystal；（c） unit cell structure；（d） infrared spectra of YIG and Gd∶YIG crystals

图11 Gd∶YIG的磁学性质［103］。（a）不同退火温度下的磁滞回线；（b）Gd∶YIG晶体的温度随磁化强度的变化曲线

Fig.11 Magnetic properties of Gd∶YIG［103］. （a） Magnetic hysteresis loops at different annealing temperatures；（b） temperature variation curve of the Gd∶YIG crystal with magnetization intensity

图12 Dy∶YIG的光学性质［110］。（a）Y3-x Dy x Fe5O12（x=0， 0.5， 1.0， 1.5， 3.0）在800~2 400 nm的透射率曲线；（b）Dy3+的能级跃迁图；（c）Y3-x Dy x Fe5O12的吸收系数变化曲线；（d）Y3-x Dy x Fe5O12的光学带隙

Fig.12 Optical properties of Dy∶YIG［110］. （a） Transmittance curves of Y3-x Dy x Fe5O12（x=0， 0.5， 1.0， 1.5， 3.0） at 800~2 400 nm；（b） energy level transition diagram of Dy3+；（c） variation of absorption coefficient for Y3-x Dy x Fe5O12；（d） optical band gap for Y3-x Dy x Fe5O12

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基于c位掺杂的钇铁石榴石单晶生长与磁光性能优化研究进展

Research Progress on c-Site Doping for Single Crystal Growth and Magneto-Optical Performance Optimization of Yttrium Iron Garnet

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