Synthesis and Characterization of Yttrium Iron Garnet Crystals in PbO and BaO Based Glass-Ceramics: Effects of Y₂O₃ and Fe₂O₃ Doping on Magneto-Optical Properties

Abstract

Este trabalho apresenta uma rota vitrocerâmica para a síntese de monocristais de granada de ítrio e ferro (Y₃Fe₅O₁₂, YIG) em sistemas à base de PbO e BaO, com o objetivo de otimizar as propriedades magneto-ópticas (MO) para aplicações fotônicas. Em contraste com técnicas convencionais de crescimento fases crsitalinas c, como os métodos Czochralski e de epitaxia em fase líquida, esta abordagem baseia-se no resfriamento controlado do fundido para promover a nucleação e o crescimento de cristais diretamente na matriz vítrea. Como resultado, formam-se monocristais de YIG com tamanhos na faixa de 5–50 µm, distribuídos de forma uniforme na vitrocerâmica. O efeito da composição foi investigado por meio da variação das concentrações de Y₂O₃ e Fe₂O₃ em ambos os sistemas vítreos. Isso permitiu avaliar como a composição química influencia o comportamento do processo de cristalização, e nas propriedades magnéticas. As caracterizações estruturais e morfológicas, realizadas por difração de raios X (DRX), espectroscopia Raman e microscopia eletrônica de varredura acoplada à espectroscopia de energia dispersiva (MEV-EDS) confirmaram a formação de YIG com estrutura cúbica bem definida. As medidas magnéticas evidenciaram o comportamento ferrimagnético já esperado para o YIG. Os resultados indicam que o sistema à base de BaO apresenta maior pureza de fase, com menor formação de fases secundárias em comparação ao sistema à base de PbO. Isso sugere que o BaO fornece um ambiente químico energeticamente mais estável para a cristalização do YIG. O método desenvolvido neste trabalho oferece uma forma simples e escalável de produzir cristais de YIG em matrizes vitrocerâmicas, com potencial aplicação em dispositivos MO, como rotadores de Faraday, isoladores ópticos e componentes fotônicos integrados em fibras operando na faixa de 1,55 µm.

This study presents a glass-ceramic route for synthesizing yttrium iron garnet (Y₃Fe₅O₁₂, YIG) single crystals in PbO- and BaO-based systems, with the aim of improving magneto optical properties for photonic applications. In contrast to conventional crystal growth techniques such as the Czochralski and liquid-phase epitaxy methods, this approach relies on controlled cooling of the melt to promote nucleation and growth of crystals directly within the glass matrix. As a result, YIG single crystals with sizes in the range of 5–50 µm are formed and uniformly distributed in the glass-ceramic. The effect of composition was examined by varying the concentrations of Y₂O₃ and Fe₂O₃ in both glass systems. This allowed evaluation of how chemical composition influences crystallization behavior, microstructure, and magnetic properties. Structural and morphological characterization using X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy, and scanning electron microscopy with energy-dispersive spectroscopy (SEM-EDS) confirmed the formation of YIG with a well-defined cubic structure. Magnetic measurements showed the expected ferrimagnetic behavior associated with YIG. The results indicate that the BaO-based system provides better phase purity, with fewer secondary phases compared to the PbO-based system. This suggests that BaO offers a more stable chemical environment for YIG crystallization. The method developed in this work provides a simple and scalable way to produce YIG crystals within glass-ceramics, with potential use in magneto-optical devices such as Faraday rotators, optical isolators, and fiber based photonic components operating near 1.55 µm.