CH619066A5

CH619066A5 -

Info

Publication number: CH619066A5
Application number: CH1391375A
Authority: CH
Inventors: David Murray Heinz
Original assignee: Rockwell International Corp
Priority date: 1975-03-03
Filing date: 1975-10-27
Publication date: 1980-08-29
Also published as: FR2303342B1; CA1074914A; US3995093A; JPS51104593A; SE7514346L; DE2608256A1; FR2303342A1; NL7514832A; IT1052292B

Description

Diese Erfindung liegt im Gebiet der spontan magnetisierbaren Materialien aus substituierten Blasen-Granatkristallen.

Es ist bekannt, dass in magnetisierbaren Blasenmaterialien eine um so höhere Informationsspeicherdichte erreicht werden kann, je kleiner der Durchmesser der Blasen im Material ist. Im 4o Gebiet der magnetisierbaren Blasenmaterialien werden Blasenmaterialien aus Granaten bevorzugt, weil in diesem Material Blasen mit kleinen Durchmessern stabil sind. Falls das magnetisierbare Blasenmaterial im technischen Massstab produziert werden soll, d. h. falls es nicht nur eine Laboratoriums- 45 kuriosität bleiben soll, müssen die Blasen im Material zudem eine hohe Wandmobilität aufweisen, so dass auch bei relativ schwachen Treibfeldern schnelle Blasenbewegungen erreicht werden. Das so charakterisierte Material erlaubt zuverlässige Hochfrequenzoperationen. 50

Ebenso ist es wichtig, dass in spontan magnetisierbaren Schichtmaterialien das Blasenmaterial eine hohe Wandenergie aufweist, so dass spontane Blasenbildung vermieden wird. Eine spontane Blasennukleation muss unbedingt vermieden werden, wenn die Informationsspeicherung und Verarbeitung im Bla- 55 senmaterial zuverlässig sein soll. Um zu erreichen, dass das Blasenmaterial innerhalb des magnetisierbaren Schichtmaterials eine hohe Wandenergie aufweist, muss das Blasenmaterial eine hohe uniaxiale Anisotropie (Ku) haben.

Die totale uniaxiale Anisotropie (Ku) enthält additive kubi- 60 sehe Kristall- (Kc), spannungsinduzierte (Kg) und wachstumsin-duzierte (K£) Terme. Wenn man sich auf die genannten Terme beschränkt, kann die Beziehung formelmässig wie folgt dargestellt werden:

Ku = Kc + Kg + K? (Fl)65

Da Kc normalerweise sehr klein ist, trägt es praktisch zur Grösse von Ku nichts bei. Die Grösse des spannungsinduzierten

Terms (Kü) ist normalerweise durch die Tatsache, dass die Spannung in Blasenmaterialüberzügen mindestens so klein gehalten werden muss, dass der Überzug nicht bricht, limitiert. Aus den genannten Gründen gilt daher im allgemeinen, dass für ein spontan magnetisierbares Material aus Hohlraum-Granatkristallen mit einer für die praktische Verwendung genügend hoher uniaxialer Anisotropie der wachstumsinduzierte Term (Kp) grösser als der spannungsinduzierte Term (Kg) sein muss. Zur Erreichung einer hohen uniaxialen Anisotropie (Ku) wird daher ein relativ hoher wachstumsinduzierter Term (K?) angestrebt. Beim Auswählen von Ionen zur Substitution von Yttrium in einem Yttrium-Eisen-Hohlraumgranatmaterial zur Erhöhung der wachstumsinduzierten Anisotropie wurden früher nur magnetische Seltenerdmetallionen in Betracht gezogen. Die bis anhin gültige Theorie geht nämlich davon aus, dass Wachstumsanisotropie durch Verwendung von magnetischen Ionen erreicht wird.

Es hat sich nun gezeigt, dass ein spontan magnetisierbares Material aus Blasen enthaltendem Yttrium-Eisengranat, in welchem das Yttrium durch Lanthan, Lutetium und eventuell weiteren Elementen ersetzt worden ist und in dem das Eisen teilweise durch ein anderes Element substituiert ist, hohe Blasen-wandmobilität aufweist, was für den Einsatz des beschriebenen Blasenmaterials in Hochfrequenzvorgängen wünschenswert ist. Die genannte Zusammensetzung weist auch eine hohe wachstumsinduzierte uniaxiale Anisotropie (KJ?) auf, wodurch eine genügend hohe Blasenwandenergie erreicht wird, zur Verhinderung von spontanen Blasenbildungen während des Betriebs.

Das erfindungsgemässe, spontan magnetisierbare Material aus Blasen-Granatkristallen ist im Patentanspruch 1 definiert.

Eine spezielle Formulierung für das genannte Material ist LuxLa3-xQyFe5_yOi2, worin Q für ein nicht magnetisches Ion steht, welches vorzugsweise auf der tetraedrischen Kristallstrukturposition substituiert, x liegt dabei zwischen 0 und 3 und y zwischen 0 und 5.5-y sollte dabei genügend gross sein, damit das Material bei der Betriebstemperatur magnetisch ist. In denjenigen Fällen, in denen das Eisen mit Ionen substituiert wird, welche eine Wertigkeit von grösser als + 3 haben, muss eine Ladungskompensation erreicht werden. Diese Ladungskompensation kann in der Substitution für Yttrium eingebaut werden. In diesem Fall wird also neben Lanthan und Lutetium ein weiteres Element im Material eingebaut, wodurch sich dessen allgemeine Formel zu LuxLa3.x. JzQyFe5_yOi2 ergibt.

Die hohe, wachstumsinduzierte uniaxiale Anisotropie (Kf ), die durch den Einbau von Lanthan und Lutetium erreicht wird, wird darauf zurückgeführt, dass Lanthan das grösste und Lutetium das kleinste der Seltenerdmetallionen sind. Wenn nun also ein ladungsausgleichendes Ion eingebaut werden muss, nimmt man mit Vorteil ein solches, dessen Grösse mit denjenigen der genannten Elemente etwa übereinstimmt. Dadurch wird die Methode der Vergrösserung der wachstumsinduzierten Anisotropie eingehalten.

Die hohe Wandbeweglichkeit des beschriebenen Blasenmaterials ist das Resultat der Tatsache, dass beide, Lanthan und Lutetium, sehr tiefe Dämpfungsparameterwerte aufweisen. Diese tiefen Werte sind mindestens teilweise die Folge der Tatsache, dass diese Ionen nicht magnetisch sind. Die hohe Wandmobilität im beschriebenen Material erlaubt Hochfrequenzoperationen im erfindungsgemässen Material.

Bei einer erfindungsgemässen Verwendung des spontan magnetisierbaren Materials wird in einer speziellen Ausführungsform auf eine Trägerschicht aus Gadoliniumgallium-Granat (GGG) ein Material der nominellen Zusammensetzung Lu2i27Laoi73GaIiiFe3i9Oi2 abgeschieden. Diese Zusammensetzung weist nämlich nur kleine Unterschiede in den Gitterdimensionen zwischen der GGG-Trägerschichtund der Deckschicht aus dem erfindungsgemässen Material auf. Dadurch

wird die Spannung in der Deckschicht klein gehalten und der Gefahr des Brechens und der Haarrissbildung in der Deckschicht begegnet. Eine kleine, spannungsinduzierte Anisotropie bildet sich natürlich trotzdem aus, da ja die erreichte Spannung nie 0 wird. Wie aus der oben angegebenen Beschreibung des erfindungsgemässen Materials folgt, sollen Lanthan und Lutetium nur auf den dodecaedrischen Kristallgitterplätzen substituieren. Ebenso ist es erwünscht, dass im erfindungsgemässen Material das Gallium oder das andere Element nur auf den tetraedrischen Kristallstrukturplätzen substituiert. Wenn die Substitution durch Lanthan und Lutetium auf die dodecaedrischen Kristallstrukturplätze beschränkt ist, und wenn die Substitution durch Gallium auf die tetraedrischen Kristallstrukturplätzen beschränkt ist, dann erhält man eine Trägerschicht aus Blasenmaterial mit einer maximalen Neel-Temperatur, welche mit der gesuchten Magnetisierung des Materials von 100 bis 150 Gauss übereinstimmt.

Eine Deckschicht aus dem erfindungsgemässen Material, welche die Endzusammensetzung L^^Lao^Ga^Fe^Oia aufweisen sollte, wurde mittels Flüssigphasen-Epitaxie aus einer Schmelze mit PbO/BîCh als Fliessmittel auf eine Trägerschicht abgeschieden. Die Schmelze, aus der die Deckschicht abgeschieden wurde, hatte eine Sättigungstemperatur von 875 °C. Die Deckschicht wurde bei einer Temperatur von 855 °C abgeschieden, die Abscheidungszeit betrug 20 Minuten und die Trägerschicht wurde während des Abscheidens mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 100 Umdrehungen pro Minute bewegt. Die erreichte Deckschichtdicke betrug 2,15 p.m.

Die Deckschicht wies eine höhere Magnetisierung (212 Gauss) und eine tiefere Neel-Temperatur (ungefähr 100,5 °C) auf, als es aufgrund des projektierten Galliumgehaltes der Schicht zu erwarten war.

Der Faraday-Effekt zeigt, dass diese hohe Netz-Magnetisierung ein Resultat der tetraedrischen Ionen-Kristallsubstruktur ist. Es wird daher angenommen, dass die überschüssige Substitution des Eisens, welche die, verglichen mit der Projektierung, tiefere Neel-Temperatur herbeiführte, durch die Besetzung von octraedrischen Kristallstrukturplätzen des Eisens verursacht worden ist. Folglich scheinen einige der substituierenden Lutetiumionen wegen ihres kleinen Durchmessers neben den dodecaedrischen Kristallstrukturplätzen, auf welchen sie eigentlich beschränkt hätten substituieren sollen, auch auf octraedrischen Kristallstrukturplätzen substituiert haben.

Aus statischen Eigenschaften des Blasenmaterials wurde eine Blasenmaterial-Wandenergie von 0,113 erg/cm2 berechnet. Aus der Neel-Temperatur andererseits wurde eine Austausch619066

konstante von A = 1,17 • IO7 erg/cm berechnet. Die Wandenergie ( <jw) berechnet sich nach der folgenden Formel:

<jw = 4(AKu)" (F2)

Aus Formel (F2) berechnet sich Ku zu:

K (CTw)2 (F3j

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Durch Einsetzen von crw und A in die Formel (F3) wird ein Ku von ungefähr 6800 erg/cm3 erhalten. Aus diesem Wert für Ku wurde der Wert der wachstumsinduzierten Anisotropie berechnet, indem die Werte von Kc und Kg davon abgezogen wurden. Aus dem Wert der Neel-Temperatur wurde gefolgert, dass die Deckschicht ungefähr einem substituierten Yttrium-Eisengranat äquivalent war, indem ein Galliumgehalt von 1,2 für die Berechnung der kubischen Anisotropie angenommen wurde. Kc wurde zu ungefähr 300 erg/cm3 bestimmt.

Der Kristallaufbauunterschied zwischen dem Gallium-Gadoliniumgrat als Trägerschicht und dem erfindungsgemässen Material als Deckschicht wurde mittels einer doppelten Kristallrüttelkurve bestimmt und ergab Werte für ÀaJL = 0,0182 À oder Aa" = 0,0100Â. Dies entspricht einer Spannung ( ö) von 2,30 • 109dyn/cm2. Die Magnetostriktionskonstante ( Xm) eines substituierten Yttrium-Eisengranats mit einem Galli-umgehalt von 1,2 beträgt ungefähr -0,38 • 10-6.

Aus den angegebenen Werten von a und Xm, wurde der Wert für die spannungsinduzierte Anisotropie Kü zu ungefähr 1300 erg/cm3 bestimmt. Durch Einsetzen der so erhaltenen Werte für Ku, Kc und Kg in die Formel (Fl) ergab sich ein Wert für Kp von ungefähr 5200 erg/cm3. Das beschriebene Material hat also eine hohe wachstumsinduzierte Anisotropie und der Wert seiner Wandenergie ist genügend hoch, um zuverlässige Hohlraum-Granatmaterialien zu erhalten.

In der vorangegangenen Beschreibung wurd ein neues, spontan magnetisierbares Material aus Hohlraum-Granatmate-rialien beschrieben, welches nützliche Blasenmaterial-Eigenschaften aufweist. Es soll hier darauf aufmerksam gemacht werden, dass vor allem die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben worden ist. Ausgebildete Fachleute können die Zusammensetzung des erfindungsgemässen Materials innerhalb der Formel LuxLa3_x_JzQyFe5_yOi2 variieren, ohne dadurch die Erfindung zu verlassen. Das beschriebene Beispiel ist also nur als Illustration gedacht, nicht aber um die Erfindung irgendwie einzuschränken.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Spontan magnetisierbares Material aus Blasen-Granat-Kristallen, dadurch gekennzeichnet, dass das Material im wesentlichen durch folgende Formel gekennzeichnet ist:

La3_x^LuxJzFe5..yQyOi2,

worin J für ein ladungsausgleichendes Ion der Wertigkeit u steht, Q für ein nicht magnetisches Ion der Wertigkeit w steht, w^3,u + w = 6,0<x<3,0^z<3,x + z<3 und 0 < y < 5 sind und worin z = 0 ist, wenn w = + 3 ist. i o
2. Spontan magnetisierbares Material gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material im wesentlichen durch folgende Formel gekennzeichnet ist:

La3_xLuxFe5-yQyOi2, 15

worin Q für ein nicht magnetisches Ion der Wertigkeit +3 steht, 0 < x < 3 und 0 < y < 5 sind.
3. Verwendung des Materials gemäss Patentanspruch 1 zur Herstellung von spontan magnetisierbaren Schichten, dadurch 2o gekennzeichnet, dass diese aus einer Trägerschicht aus Gal-lium-Gadoliniumgranat und aus einer epitaxisch darauf abgeschiedenen Deckschicht aus dem in Patentanspruch 1 definierten Material bestehen.
4. Verwendung gemäss Patentanspruch 3, dadurch gekenn- 25 zeichnet, dass die Deckschicht im wesentlichen durch folgende Formel gekennzeichnet ist:

Lu2,27Lao,73Gau Fe3,9Oi2.

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