DE2045219A1

DE2045219A1 - Ferromagnetische Dunnschichten aus Europiumoxyd mit starker, bei relativ hohen Curietemperaturen auftretender magneto optischer Faraday Rotation

Info

Publication number: DE2045219A1
Application number: DE19702045219
Authority: DE
Inventors: Kie Yeung Bedford N Y Ahn (V St A)
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1969-11-13
Filing date: 1970-09-12
Publication date: 1971-05-19
Also published as: SE365062B; GB1288519A; NL7015847A; FR2071746A5; JPS496637B1; US3639167A

Description

IBM OeuXschland Internationale Büro-Mascfiinen Gesellschaft mbH

Böblingen, den 7. September 1970 si-ba

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonkü Ni..Y. 1O5Q4

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin; Docket YO 969 O54

Ferromagnetische Dünnschichten aus Europiumoxyd mit starker« bei relativ hohen Curietemperaturen auftretender magneto-optischer Faraday Rotation „.^__________

Die vorliegende Erfindung betrifft ferromagnetische Dünnschichten mit' starker, bei relativ hohen Curietemperaturen auftretender magneto-optischer Faraday-Rotation, die sich besonders gut für Speichersysteme eignen, deren Adressierung mittels selektiver Erwärmung durch Bestrahlung mit Licht-oder Elektronenstrahlung i erfolgt.

In der Technik, insbesondere in der Technik der Datenverarbeitungsmaschinen wird vielfach von Dünnschichten Gebrauch gemacht, die aus einem Material mit starkem magneto-optischen Effekt bestehen. Hinsichtlich der Anwendung in Speichersystemen besteht 2. Zt. beträchtliches Interesse an der Entwicklung von geeigneten Dünnschichten aus Europiumoxyd. Aus derartigen Schichten aufgebaute Speichersysteme sind gewöhnlich mit Hilfe eines feinen' Strahlenbündels adressierbar, wobei sowohl Lichtstrahlen als auch Elektronenstrahlen angewendet werden können. Durch selektive Erhitzung dieser Dünnschichten, wozu man sich entweder eines Laserstrahls oder eines Elektronenstrahls bedient, ergeben sich

109 8 21/1734

diskrete magnetische Bereiche innerhalb der Dünnschicht, die eine besondere, von ihrer Umgebung abweichende Orientierung aufweisen. Diese selektive Orientierung kann nachgewiesen werden, indem man Licht auf die Dünnschicht auftreffen läßt und beobachtet, in welcher Weise die Polarisation des Lichtes durch die Wechselwirkung mit der selektiv magnetisierten Dünnschicht geändert wird. Lange Zeit war man der Ansicht, daß das Oxyd des seltenen Erdmetalls Europium besonders günstige Eigenschaften zur Anwendung für Speichervorrichtungen der beschriebenen Art besitze. Jedoch lassen die Betriebsbedingungen, die sehr niedrige Temperaturen etwa in der Nähe von 1O°K erfordern, eine verbreitete Anwendung der mittels selektiver Bestrahlung adressierten Speichertypen unter Verwendung von dünnen Europiumoxydschichten nicht als sehr wahrscheinlich erscheinen. Die herabgesetzte Temperatur ist erforderlich, weil die Curietemperatur von Europiumoxyd etwa bei 70 K liegt und weil der Betrieb bei einer Temperatur vorgenommen werden muß, die ausreichend unterhalb der Curietemperatur liegt, um genügend starke Magnetisierungen zu erzielen. Die Curietemperatur ist bekanntlich diejenige Temperatur, bei der die ferromagnetischen Eigenschaften verschwinden. Es stellte sich vor einiger Zeit heraus, daß für im wesentlichen aus Europiumoxyd bestehende Dünnschichten, welche bei 77 ⁰K betriebsfähig wären, einer Temperatur, die mit Hilfe von flüssigem Stickstoff leicht hergestellt werden kann, die Anwendungsmöglichkeiten in der Datenverarbeitungstechnik wesentlich günstiger zu beurteilen sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine ferromagnetische, vornehmlich aus Europiumoxyd bestehende Dünnschicht anzugeben, deren Zusammensetzung so modifiziert ist, daß starke magneto-optische Effekte erzielt werden und der Curiepunkt bei einer relativ hohen Temperatur auftritt. Weiterhin soll ein Herstellungsverfahren für eine in der genannten Weise modifizierte ferromagnetische Dünnschicht angegeben werden. Die genannten modifizierten Europiumoxyd-Dünnschichten sollen sich insbesondere für den Aufbau von Speichersystemen eignen, die mittels

109821/1734.

Docket YO 969 054

α> "3 mm

selektiver Bestrahlung adressierbar sind.

Die genannte Aufgabe wird mittels ferromagnetischer Dünnschichten aus Europiumoxyd mit starker, bei relativ hoher Curietemperatur auftretender magneto-optischer Faraday-Rotation gelöst.

Derartige modifizierte Dünnschichten sind dadurch gekennzeichnet, daß die Europiumoxydschicht mit einem inneren Übergangsmetall dotiert ist.

Das Verfahren zur Herstellung derartiger Schichten ist dadurch , gekennzeichnet, daß in einem Vakuum mit einem Druck von hoch- ■ stens 2 · 10 Torr auf ein auf etwa 100 ⁰C bis auf etwa 200 °c aufgeheiztes Substrat aus getrennten Materialquellen Europium, Europiumoxyd und mindestens eines der Übergangsmetalle Eisen, Kobalt, Nickel oder Chrom gleichzeitig aufgedampft werden.

Einzelheiten der Erfindung sowie eine spezielle Anwendungsmöglichkeit zum Aufbau eines Speiehersystems werden im folgenden an einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Figuren beschrieben. In diesen bedeuten:

Fig. 1 ein bei Raumtemperatur aufgenommenes Diagramm

der Abhängigkeit der optischen Absorption ei- | ner mit Eisen dotierten Europiumoxyd-Dünnschicht von der Wellenlänge mit einer Curietemperatur von 180 °K;

Fig. 2 eine graphische Darstellung des magnetischen

Momentes in Abhängigkeit von der Temperatur für eine mit Eisen dotierte Europiumoxyd-Dünnschicht für drei verschiedene Magnetfeldstärken;

Fig. 3 eine graphische Darstellung des magnetischen

Momentes in Abhängigkeit von der Temperatur für eine mit Gadolinium dotierte Europiumoxyd-Dünn-

109821/1734

Docket YO 969 054

schicht für drei verschiedene Feldstärken zum Vergleich mit dem Kurvenverlauf von Fig. 2;

Fig. 4 eine typische Hysteresiskurve einer mit Eisen

dotierten Europiumoxyd-Dünnschicht bei 77 °K;

Fig. 5 eine weitere Hysteresiskurve einer mit Gadoli

nium dotierten Europiumoxyd-Dünnschicht bei 77 ⁰K zi
Fig. 4;

77 K zum Vergleich mit dem Kurvenverlauf der

Fig. 6 ein Diagramm des longitudinalen Faraday'sehen

Rotationseffektes einer mit Eisen dotierten Europiumoxyd-Dünnschicht bei etwa 9 K in Abhängigkeit von der Wellenlänge;

Fig. 7A eine schematische Darstellung des Einschreibevorganges nach der Lehre der Erfindung tUMl· einer binären Information in eine Dünnschicht;

Fig. 8 eine schematische Darstellung des Lesevorgangs

zur Wiedergewinnung der eingeschriebenen Information, welche als magnetische Orientierungsunterschiede in den ferromagnetischen Dünnschichten mit elektro-optischem Effekt gespeichert ist.

In bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung werden Europiumoxyd-Dünnschichten hergestellt, welche mit einem inneren Übergangsmetali? z. B. mit Eisen, Kobalt, Nickel oder Chrom dotiert sind. Dies geschieht durch gleichseitiges Verdampfen der Komponenten Europium CEu) und Europiumoxyd (Eu₂O₃) im Vakuum unter Hinzufügen der jeweils benutzten Dotierungssubstanzen. Die Dünnschichten werden auf ein Substrat aufgedampft, welches durch Heizen auf Temperaturen zwischen 100 und 300 ⁰C gehalten wird.

108821/1734

Docket YO 969 054

Als geeignete Substratmaterialien können Glas, Quarz sowie polierte Metailscheiben oder -Platten benutzt werden. Die Auf~ dampfung wird in einem bekannten Vakuumaufdampfsystem durchgeführt, welches eine Europiumoxydquelle (Eu₂CL), eine Quelle des jeweils benutzten Übergangsmetalls sowie ein Schiffchen enthält, das metallisches Europium (Eu) enthält. Die Europiumoxydquelle und das übergangsmetall werden durch verschiedene Elektronenkanonen beheizt. Das Schiffchen wird auf konventionelle Weise erhitzt. Die Dünnschichten werden in einem Vakuum erzeugt, welchen zwischen 8 · ίο" und 2 · io"" Torr während der Verdampfungsphase liegt, obwohl der Anfangsdruck nur etwa 5 · 10 Torr beträgt. In typischer Weise wird die Aufdampfung mit einer Rate von etwa 20 8 pro Sekunde bis 30 8 pro Sekunde bei einem Abstand zwischen Quelle und Substrat von etwa 30 cm ausgeführt.

Die Verdampfungsraten der drei Quellen werden mittels eines Frequenzzählers überwacht, der mit einem Kristalloszillator als Meßfühler ausgerüstet ist, der bei 4,1 Megaherz schwingt. Die Verdampfungsrate des Europiums wird zunächst durch geeignete Dosierung der Eingangsleistung eingestellt, wobei an dem Schiffchen etwa 240 Watt verbraucht werden. Die momentane Verdampfungs rate Af_ /At wird durch den Frequenzzähler mit einer Wiederho-

CiU

lungszeit von etwa 2 Sekunden gesteuert. Eine der Dicke der wachsenden dünnen Schicht proportionale Änderung der Oszillatorfrequenz wird mit einem Koordinatenschreiber mit Zeitbasis aufgezeichnet. Nach Einjustieren der Verdampfungsrate für das Europium wird die Quelle für das Übergangsmetall durch Einschalten der dieser zugeordneten Elektronenkanone in Betrieb genommen. Die Einstellung der Rate erfolgt durch Aufzeichnung von Δρ ,,/At, Die Eingangsleistung der Elektronenkanonen wird von einer Konstantspannungsquelle geliefert und kann innerhalb eines Bereiches von 10 % des Anfangswertes konstant gehalten werden. Dann wird die der Europiumoxydquelle zugeordnete Elektronenkanone eingeschaltet und das Europiumoxyd zum Verdampfen gebracht. Die Verdampfungsrate des Europiumoxyds wird unter Be-

109821 /1734

Docket YO 969 054

obachtung der Differenz zwischen den Raten Lt +Mt 11+EO^ At und Af_{Eu + Metall}/At einjustiert.

Die Messung der Dicke der Dünnschicht erfolgt mittels eines Mehrstrahl-Interferrometers. Dünnschichten werden im allgemeinen mit einer Stärkenabmessung im Bereich zwischen etwa 300 & bis etwa 50 000 Ä hergestellt. Zur Benutzung in einem adressierfähigen Speichersystem jedoch werden Dünnschichten vorzugsweise mit einer Stärke in der Größenordnung von etwa 1000 S bis 4000 A benötigt. Mittels der im vorstehenden beschriebenen Verfahren hergestellte Europiumoxyd-Dünnschichten besaßen nachweislich Dotierstoffe in der Konzentration zwischen etwa 0,1 Gewichtsprozent bis 30 Gewichtsprozent. Die Dotierungssubstanzen, d. h. Eisen-, Kobalt-, Nickel- oder Chrommetallionen können in den Leerstellen des Kristallgitters des Europiums lokalisiert oder auch auf Zwischengitterplätzen angeordnet sein. ,

Einzelheiten über Verdampfungsvorgänge einer Vielzahl von Komponenten auf ein Substrat sind z. B. in dem US-Patent 3 427 mit der Bezeichnung "Amorphe Legierungen" beschrieben.

Als spezieller Fall eines bevorzugten Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung sei im folgenden das Verfahren zur Herstellung von eisendotierten Europiumoxyd-Dünnschichten sowie deren Eigenschaften, beschrieben. Für den Fachmann ist klar, daß in ähnlicher Weise Europiumoxyd-Dünnschichten auch mit Kobalt _r Nickel, Chrom und anderen Dotierungssubstanzen versehen werden können.

Metallisches Europium (Eu), Europiumoxyd (EU₂O-) und Eisen (Fe) werden simultan in einem Vakuum von etwa 2 · 10 Torr unter Benutzung einer konventionellen Vakuumverdampfungsanlage verdampft. Die Aufdampfrate wird etwa auf 30 E/Sekunde gehalten, wobei der Abstand zwischen Substrat und Quelle etwa 30 cm beträgt. Als Verhältnis des metallischen Europiums zum Europiumoxyd wird etwa ein Wart von 0,6 bis 1,5 gewählt. Man setzt den Verdampfungsvorgang

Docket YO 969 054 109821/1734

solange fort, bis auf Substraten aus Quarz oder Glas eisendotier te Europiumoxyd-Dünnschichten mit einer Dicke von etwa 1700 Pv ab geschieden sind. Wie sich aus den mit chemischen Mitteln und mit Röntgenstrahlen durchgeführten Analysen ergab, zeigten die so erstellten Dünnschichten einen Eisengehalt von etwa 8 %» Es wurden auch andere Europiumoxyd-Dünnschichten mit verschiedenen Eisenkonzentrationen in ähnlicher Weise hergestellt und es zeigte sich, daß in der Tat verschiedene Eisenkonzentrationen realisierbar sind, was in der folgenden Tafel zusammen mit einigen anderen gemessenen physikalischen Eigenschaften zusammengestellt ist.

	TABELLE	I	"Λ	Absorbtions- maximum [8]	T₀(⁰K)
	(xlO⁵/cm) Ei Gesamtabsorbtion .α	i/E		5800	180
Gewichts-	2.4	1	.3	5700	180
7,	2.2	1	.2	5850	165
6.	2.'2	1
5,
.7
.8
.8

;■■ i

Mittels eines Spektrophotometers wurden an den in der beschriebenen Weise erstellten Dünnschichten optische Messungen bei Raumtemperatur durchgeführt. Die Absorptionswerte wurden im Spektralbereich von 0,3 ρ bis 2,5 μ unter Benutzung eines Referenzsubstrates ohne Aufdampfmaterial gemessen. Wie aus der Tabelle I sowie aus der Fig. 1 ersichtlich, besitzt die Dünnschicht mit etwa 7,7 % Eisengehalt, eine Gesamtabsorption von etwa 2,4 · 10 /cm. Dieser Wert ist zu vergleichen mit den Werten von Dünnschichten aus reinem Europiumoxyd sowie aus mit dem Metall einer seltenen Erde dotierten Europiumoxyd. Der erhöhte Absorbtionswert der eisendotierten Europiumoxyd-Dünnschichten bringt den Vorteil einer höheren Effektivität bei Einschreibe-

109821/1734

Docket YO 969 054

verfahren mit sich, die sich der selektiven Erhitzung der Dünnschicht mittels eines Licht- oder Elektronenstrahles bedienen.

Aus der obigen Tafel ist weiter zu ersehen, daß die Curietemperatur T sich mit der Eisenkonzentration ändert. Ein weiteres Anwachsen des T -Wertes ist zu erwarten bei Optimierung der Verdampfungsparameter, beispielsweise des Verhältnisses metallisches Europium zu Europiumoxyd und der Eisenkonzentration.

Es wurden die magnetischen Momente verschiedener auf Quarz niedergeschlagener Probeschichten bei einer Temperatur zwischen 4,2 κ bis 150 K unter Benutzung von magnetischen Feldern bis 18 K Oerstedt mit Kraftlinienverlauf in der Substratebene gemessen.

Die Temperaturabhängigkeit des magnetischen Moments einer Dünnschicht von etwa 1700 8 Dicke mit einem Eisengehalt von 7,7 % ist aus der Fig. 2 zu ersehen. Bei 12 K Oerstedt beträgt das Moment Σ etwa 190 elektromagnetische Einheiten/Gramm im Vergleich mit 225 elektromagnetischen Einheiten/Gramm für reines Europiumoxyd. Es ist anzunehmen, daß das geringere magnetische Moment auf das Eisen zurückzuführen ist, ferner auf eine oberflächenhafte Oxydschicht sowie auf einige zweiphasige Materialien innerhalb der Konrgrenzengebiete. Es ist bemerkenswert, daß bei 77 °K Σ etwa 125 elektromagnetische Einheiten/Gramm oder etwa 65 % des bei tieferen Temperaturen vorliegenden Wertes beträgt. Durch Extrapolation wurde für T_ ein Wert von 180 °K gefunden. Es folgt nun ©in Vergleich der in Fig. 2 dargestellten Werte des magnetischen Moments mit denjenigen der Fig„ 3, welche den gleichen Zusammenhang wie für Dünnschichten aus Europiumoxyd wiedergibt. Der einsige Unterschied besteht darin, daß in diesem Falle mit Gadolinium dotiert wurde. Wie bereits oben erwähnt, beträgt das magnetische Moment für eisendotierte Dünnschichten bei 77 ⁰K etwa 125 elektromagnetische Einheiten/Gramm im Vergleich mit einem Wert von nur 65 elektromagnetischen Einheiten/Gramm bei gadoliniumdotierten Dünnschichten. Dieser Vergleich zeigt,

Docket YO 969 054 10 9 8 21/17 3

daß die Signalstärke, die bei eisendotierten Dünnschichten erwartet werden kann, etwa das Doppelte desjenigen Wertes beträgt, den gadoliniumdotierte Dünnschichten bei 77 ⁰K zu liefern vermögen, was ganz klar die Überlegenheit der eisendotierten Dünnschichten bezüglich der mangetischen Eigenschaft zeigt.

Unter Benutzung der longitudinalen Faradayrotation innerhalb eines optischen De^argefäßes im Temperaturbereich zwischen 9 ⁰K und 180 K wurden die quasistatischen Schalteigenschaften der Dünnschichten gemessen. Die experimentelle Ausrüstung zur Durchführung dieser Messung besteht aus einem Zerhacker für den Lichtstrahl (Chopper), einem Paar Glan-Torapson-Prismen, einem | Spulenpaar, einigen Fotovervielfacherröhren und einem phasenempfindlichen, mit Verstärker ausgerüsteten Detektor sowie aus einem Spezialoszilloskop.

Bei niedrigeren Temperaturen z. B. bei 9 ⁰K ändert sich die Koerzitivkraft der Dünnschichten von etwa 1700 A Dicke von 33 Oerstedt auf Glas bis zu 70 Oerstedt auf Quarz. Die Abhängigkeit der Koerzitivkraft vom Substratmaterial ist bereits aus anderen Untersuchungen bekannt. Man erkennt, daß die eisendotierten Dünnschichten Koerzitivkräfte besitzen, die beträchtlich unter den Werten von 80 oder 120 liegen, wie sie gadoliniumdotierte Dünnschichten aufweisen. Die Abhängigkeit der Koerzitivkraft , vom Substratmaterial ist wahrscheinlich auf die Zusammenwirkung " von Spannungsbeanspruchungen innerhalb der Dünnschicht einerseits und Magnetostriktionseffekten andererseits zurückzuführen.

Fig. 4 zeigt eine typische Hysteresisschleife, welche bei 6228 K ψ und bei 77 ⁰K aufgenommen wurde. Eine auffallende Eigenschaft dieser Schleife besteht in ihrem rechteckigen Verlauf. Sie besitzt ein Reckteckverhältnis M_R/M von etwa 0,9 bei niedrigen Temperaturen und dieser Wert nimmt sogar bei höheren Temperaturen nur sehr wenig ab, z. B. bis zu einer Temperatur von 160 K. Die Koerzitivkraft nimmt mit zunehmender Temperatur ebenfalls nur geringfügig ab.

Docket VO 969 054 109821/1734

- ίο -

Für Vergleichszwecke wurde eine ähnliche Hysteresiskurve in Fig. 5 dargestellt, welche sich auf gadoliniumdotierte Dünnschichten, gemessen bei 77 ⁰K bezieht. Man entnimmt der Fig. 5, daß die Schleife für gadoliniumdotierte Dünnschichten bei weitem nicht mehr die ausgeprägte rechteckige Gestalt aufweist; das Rechteckverhältnis ist kleiner als die Hälfte des für eisendotierte Dünnschichten bei 77 ⁰K vorliegenden Wertes.

Die magneto-optische Faraday-Rotationen wurden unter einem Einfallswinkel des Lichtstrahls von 70 unter Benutzung eines Monochromators gemessen. Der Analysator wurde um 8° gegen die Extinktionsrichtung versetzt, infolgedessen ist die Faradayrotation fast proportional der Höhe der Hysteresisschleife in Fig.(l. )fc Die Wellenlängenabhängigkeit' der remanenten longitudinalen Faradayrotation wurde an einer Probe mit einem Eisengehalt von 7,7 % gemessen und ist summarisch in der Fig. 6 dargestellt. Mit zunehmender Wellenlänge wächst die positive Rotation an bis zu einem Maximum bei etwa 6500 8, woran sich ein Abfall bis auf den Wert 0 bei 8250 A* anschließt. An dieser Stelle tritt ein Vorzeichenwechsel ein, gefolgt von einem etwas schwächeren Anstieg im negativen Winkelgebiet. Das Rotationsmaximum entspricht der maximalen optischen Absorption und ist auf einem Elektronenübergang vom 4f zum 5d-Quantennieveau des Europium -Ions zurückzuführen. Es sei betont, daß die Zugabe von Eisen keinen Einfluß auf die Wellenlängenabhängigkeit der Faradayrotation und der optischen Absorption nach sich zieht. Unter Benutzung von nach der Lehre der vorliegenden Erfindung hergestellten Dünnschichten lassen sich zufriedenstellend arbeitende, mittels Lichtstrahlen adressierbare Speichersystem aufbauen. Derartige Systeme sind grundsätzlich bekannt. Der Einschreibvorgang in ein derartiges Speichersystem ist in der Fig. 7A erläutert. Die Dünnschicht befindet sich auf einem Substrat 11. Eine Laser- oder Elektronenstrahlquelle 12 liefert den fokussierten Strahl 13, welcher auf die Oberfläche der Dünnschicht 10 auftrifft» Mitteis der Helmholζspulen 14 und 16 wird ein magnetisches Feld erzeugt, dessen Kraftlinien in der Ebene der Dünnschicht 10, unter anderem

109821/1734

Docket YO 969 054

auch in deren Bereich 20 verlaufen. Bei Anwesenheit eines magnetischen Feldes von etwa 20 Oerstedt weist der Bereich 20 der Dünnschicht 10 einen vorwiegenden Richtungsverlauf seiner Elementarmagnete in der Richtung nach rechts auf, entsprechend einer der beiden möglichen binären Zustände, beispielsweise entsprechend der binären Eins. Die umgekehrte Richtung entspricht dem der Null. Besitzt nun der Teilbereich 20 eine wesentlich höhere Temperatur als das umgebende Schichtmaterial, was durch Einstrahlung des Strahls 12 bewirkt werden kann, so stellt sich eine spezielle, von der vorstehenden verschiedenen Magnetfeldorientierung ein. Nach wiedererfolgter Abkühlung stellt das Teilgebiet 20 eine eingeschriebene binäre Information dar, die I mittels der Anordnung nach Fig. 7B wieder ausgelesen werden kann. Die gesamte Oberfläche der Dünnschicht 10 beinhaltet als Ganzes die eingeschriebene binäre Information. Nach dem jetzigen Stande der Technik beträgt die Größe des die Information beherbergenden Teilgebietes etwa 3 μ Durchmesser und kann leicht in den entgegengesetzten binären Zustand überführt werden. Bei der Benutzung einer Dünnschicht aus dotic cem Suropiumoxyd nach der Lehre der vorliegenden Erfindung erhält i„a:i ©ins Speicherkapazität in

7 2

der Größenordnung von 10 Bits pro cm .

Nunmehr sei unter Bezugnahme auf die Fig. 7A der Lesevorgang beschrieben, der zur Wiedergewinnung der eingeschriebenen binären | Information dient. Fig. 7B zeigt zunächst eine nach der Lehre der Erfindung hergestellte eisendotierte Dünnschicht 10 aus Europiumoxyd mit einem auf seinen Teilbereich 20 einfallenden fokussierten Lichtstrahl 30 aus der Lichtquelle 32, vorzugsweise einem fokussierten Laserstrahl. In bekannter Weise gewinnt man einen derartigen Lichtstrahl 30 mittels eines Heliumneonlasers, welcher die Lichtwellenlänge 6328 8 aussendet.

Es stehen mehrere zur Bestimmung der eingeschriebenen Information ausnutzbare magneto-optische Effekte zur Verfügung, die alle Auf einer Wechselwirkung zwischen dem einfallenden Lichtstrahl mit dem magnetisieren Teilbereich 20 beruhen. Die Tatsache der

109821/1734
Docket-YO 969 054

Magnetisierung 18 in dem genannten Bereich verändert sowohl die Natur des reflektierten Lichtanteils 34 als auch diejenige des die Schicht mit Trägerplatte durchsetzenden Lichtanteils 36. In diese Strahlenverläufe 34 und 36 wird das einfallende Licht 30 aufgespalten. Zur Messung der Faradayrotation wird der durchgelassene Lichtanteil 36 einer Fotovervielfacherröhre 38 über den Analysator 40 zugeführt. Der Analysator 40 ist so einjustiert, daß sich ohne die Mitwirkung der Dünnschicht ein minimaler Durchgang für eine bestimmte Richtung des elektrischen Feldes des einfallenden linear polarisierten Lichtes ergibt; das von der Fotovervielfacherröhre auf der Leitung 47 gelieferte Signal ist dann ein Maß für die Stärke der Faradayrotation. Der longitudinale Kerreffekt wird durch die Fotovervielfacherröhre 46 gemessen, deren Ausgangssignal ein Maß für die Intensität der Ro-tation der Polarisationsrichtung des Lichtanteils 34_evGer nach Reflexion an dem Teilgebiet 20 den Analysator 50 durchsetzt. Die Rotationsintensität entspricht der Intensitätsänderung des an dem Teilgebiet 20 der Dünnschicht reflektierten Lichtes, wobei als Vergleichswert die Lichtintensität am Fotovervielfacherrohr 46 ohne Benutzung des Analysators 50 benutzt wird. Die Natur der magnetischen Hysteresisschleife einer Dünnschicht innerhalb eines durch Strahlen adressierbaren Speiehersystems ist für den praktischen Nutzen der Dünnschicht wesentlich. In Fig. 4 ist eine Hysteresisschleife gezeigt, wie sie der Dünnschicht 10 bei 77 K eigen ist. Die Koerzitivkraft H_c entspricht der Feldstärke, welche erforderlich ist, um den Magnetisierungszustand des Teilbereiches 20 umzuschalten, d. h. z. B. die binäre Eins entsprechend einer Magnetisierung in der Richtung von links nach rechts umzuwandeln in die binäre Null, welche gleichwertig ist einer Magnetisierung in umgekehrter Richtung. Das Rechteckverhältnis M_n/M_, d. h. das Verhältnis der remanenten Magnetisierung zur

Sättigungsmagnetisierung ist ein Maß für die Güte der Dünnschicht hinsichtlich einer praktischen Anwendung zur Herstellung von Speichersystemen.

Felder H_c von etwa 70 Oerstedt bei einem Substrat 11 aus Quarz Dodcat vo ₉₆9 054 109821/1734

■ - 13 -

und von etwa 33 Oerstedt für ein Substrat 11 aus Glas reichen zur Umschaltung der Magnetisirungsrichtung/ d.h. zur Einschreibung einer binären Information aus, sofern man mit speziellen Dotierungsmitteln versehene, vorzugsweise aus Europiumoxyd bestehende Dünnschichten benutzt, wobei die Dotierungskomponenten aus den Ferromagnetika Eisen, Kobalt, Nickel und Chrom ausgewählt sind. Das Rechteckverhältnis M /M dieser Dünnschichten kann variiert werden. So kann z. B. ein Gadoliniumion mit starken Spin-Bahn-Wechselwirkungseffekten, wie in der Literatur nachgelesen werden kann, wenn es an die Stelle eines doppelt ionisierten Europiumions Eu im Europiumoxydgitter tritt, die magnetokristalline Anisotropie und Magnetostriktion der Schicht ändern. Da die Natur der Hysteresisschleife von Fig. 4 sowohl mit den magnetostriktiven als auch mit den magnetokristallinen Anisotropieeigenschaften verknüpft ist, kann man durch Steuerung der genannten Parameter einer Dünnschicht, insbesondere einer solchen aus Europiumoxyd, das Rechteckverhältnis M_/M_ leicht beeinflussen. Wie im vorstehenden bereits bemerkt, geschieht die Steuerung des Rechteckverhältnisses in relativ einfacher Weise durch selektives Dotieren des Wirtsgitters einer Dünnschicht aus Europiumoxyd mit Atomen eines Metalles der seltenen Erden, insbesondere mit Gadoliniumatomen.

109821/1734

Docket YO 969 054

Claims

PATENTANSPRÜCHE

Ferromagnetische Dünnschichten aus Europiumoxyd (Eu_O ) mit starker, bei relativ hoher Curietemperatur auftretender magneto-optischer Faraday-Rotation, insbesondere zur Verwendung in Speichersystemen, dadurch gekennzeichnet, daß die Europiumoxydschicht mit einem inneren Übergangsmetall dotiert ist.

Dünnschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als spezielle Dotierungssubstanz Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni) oder Chrom (Cr) gewählt ist.

Dünnschicht nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Dotiersubstanz in einem Anteil von 0,1 Gewichts-% bis 30 Gewichts-% zur Grundsubstanz Europiumoxyd hinzugefügt ist.

Dünnschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Dotiersubstanz Eisen in einem Anteil von 5 Gewichts-% bis 10 Gewichts-% zur Grundsubstanz Europiumoxyd hinzugefügt ist.

Dünnschicht nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat für die Dünnschicht Platten aus Quarz, Glas oder aus einem polierten Metall benutzt sind.

6. Dünnschicht nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Stärke für die Dünnschicht ein Wert zwischen etwa 150 £ und etwa 100 000 8 gewählt ist«

7. Dünnschicht nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet f daß diese einkristallen auf das Substrat "auf-

Docket YO 969 054

109821/173

- 15 gedampft ist. "

8. Dünnschicht nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß diese polykristallin auf das Substrat aufgedampft ist. ·

9. Verfahren zum Herstellen von ferromagnetischen Dünnschiehten aus Europiumoxyd mit starker, bei relativ hoher Curietemperatur auftretender magneto-optischer Faraday-Rotation, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Vakuum mit ei-

-5
nem Druck von höchstens 2 · 10 Torr auf ein auf etwa 100 ⁰C bis auf etwa 200 ⁰C aufgeheiztes Substrat aus ge- | trennten Materialquellen Europium, Europiumoxyd und mindestens eines der Übergangsmetalle Eisen, Kobalt, Nickel oder Chrom gleichzeitig aufgedampft werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Mengenverhältnis von Europium zu Europiumoxyd einen Wert im Bereich von etwa 0,6 bis etwa 1,5 gewählt ist.

11. Verfahren nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponenten Europium, Europiumoxyd sowie das jeweils benutzte'Übergangsmetall mit einer Rate von etwa

20 S/Sekunde bis 30 S/Sekunde aufgedampft wird. I

12. Ferromagnetische Dünnschicht aus Europiumoxyd sowie Verfahren zu ihrer Herstellung nach den Ansprüchen 1 bis 8 bzw. 9 bis 11, gekennzeichnet durch die Anwendung zum Aufbau bzw. zur Herstellung von Dünnschicht-Speichersystemen, die mittels selektiver Erwärmung durch Bestrahlung mit Licht- oder Elektronenstrahlen adressierbar sind.

109821/1734 Docket· YO 969 054

Leerseite