DE2118250C3 - Ferrimagnetisches Material für eine magnetische Schaltung - Google Patents

Description

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Erden. Obwohl es sehr wahrscheinlich ist, daß rende Fenimagnete der Granatstruktur. Die be-Orthof'irrit-Bauelemente bzw. Schaltungen mit ein- kannteste Zusammensetzung ist Yttriumeisengranat, wandigen Domänen kommerziell verwertet werden, Y₃Fe₄O₁.,, Uas der Einfachheit halber häufig als riu ■teilen gebräuchliche Orthoferrit-Zusammensetzun- bezeichnet wird. Es gibt viele Zusarnmenseizungsaen ein Hindernis für die Entwicklung von Aus- 5 Variationen; zu diesen gehört eine vollständige oder führungsformen mit hohen Bit-Dichten dar. teilweise Substitution des Yttriums durch verschie-

AHgemein haben Orthoferrite derartige magne- dene der 4 f-Seltenen-Erden, eine teilweise SuDstitische Eieenschaftcn, daß sie die Übertragung von tution des Eisens durch Aluminium oder Gallium einvvandigen Domänen, die kleiner als etwa und andere. Das Wachstumsverhalten dieser Mate-5. 10 Um im Durchmesser sind, schwierig machen. 10 rialien ist bekannt, und es gibt viele Methoden zum Bei üblichen Ausführungen hat dies eine maximale Herstellen großer Kristalle hoher Perfektion. Bit-Dichte in der Größenordnung von !,55 - ICH Bits Röntgenstrahluntersuchungen und Betrachtungen

oro Quadratzentimeter zur Folge. der Grundstruktur haben stets gezeigt, daß die ma-

Versuche, die Größe stabiler Domänen bei üb- gnetischen Granate magnetisch isotrop sind, unter liehen Betriebstemperaturen zu verringern, haben 15 diesem Aspekt erbrachten Granate nicht die naturneue Probleme aulgeworfen; so verringert ein Betrieb liehen Voraussetzungen für domänenübertragenae in der Nähe der magnetischen Reorientierungstempe- Einrichtungen, welche einachsige magnetische An_ratur -*ar die Größe der einwandigen Domänen, isotropie erfordern. Jedoch h&ben mit Granat arbeifülirt jedoch zu hoher Magnetostriktion, wodurch so- tende Fachleute Bereiche magnetischer Anisotropie _wohl die Herstellung als auch der Betrieb kompli- 20 beobachtet. Allgemein wurJe solcher Anisotropie _ziert werden. Ein Betrieb in der Nähe dei Re- wenig Beachtung geschenkt, <.md Literaturhinweise orientierungstemperalur bringt außerdem eine hohe führten allgemein zu diesem Prcblein einen ^D™c^R Temperaturabhängigkeit der Domänen-Größe mit Spannungsmechanismus an. Bei einigen Gelegensich was eine genaue Temperatursteuerung bei Ein- heilen wurde die Anisotropie einer beispielsweise richtungen bzw. Schaltungen erfordert, welche der- 25 durch Schleifen und oder Polieren hervorgerufenen ariine Zusammensetzungen verwenden. Außerdem Oberflächenspannung zugeordnet, weisen die Materialien trotz der schwerpunktartigen Die sich aus den Unzulänglichkeiten der "^rtiJ°"

Entwicklung von Züchtungsinethoden für Ortho- ferrite und der hexagonalen Ferrite ergebenden ferrite bisher keine ausreichende kristalline Perfek- Hindernisse bzw. Beschränkungen gaben Anlaß zum tion auf um eine wirtschaftliche Herstellung zu er- 30 Studium der magnetischen Granate zur Verwendung mißlichen "" '" magnetischen Schaltungen bzw. Bausteinen

line zweite Materialgruppe, die zur Verwendung Eine Schwierigkeit in der Verwendung einfacher in Einrichtungen der eingangs genannten Art einige Granatzusammensetzungen in Domanen-Einnchtun-Bcachtung gefunden hat ist die der hexagonalen gen erwächst aus der Beziehung: Ferrite (z.B. der Magnetoplumbite). Die magne- 35 B - E¹²K *-Μ~-. tische Eigenschaften dieser Materialien sind so. daß " ' _mnan(. si,- sehr kleine eiinwandige Domänen zu übertragen wobei B der Domänen-Durchmesser E die magnteriauhen Tatsächlich lie"gt das Problem bei diesen tische Austauschenergic, K₁₁ die e.nachs.ge ^m^8ⁿ"^ Materialien gerade umgekehrt demjenigen bei Ortho- kristalline Anisotropie und A/ das ^fS^¹'⁵^ ™£ ferrite und Modifizierungen der Zusammensetzung 4° ment ist, und zwar alle Großen in n.iteinanaer vu, waren häufig darauf abgestellt, die Domäncngroße einbaren Einheiten. Viele in anderer Hins.cni fet-™ rrhfincn statt zu veringem eignete Granat-Zusammensetzungen haben magnc- ^m£^™j£L!;J£Xu_m\*lc nicht als sehr tische Momente, welche für die Verwendung in den erfolgversprechende Materialien zur Übertragung Einrichtungen der eingangs angegebenen Art unn gnctischer Domänen angesehen, und zwa, vor 45 geeignet sind. Es ,st im allgemeinen erwünscht daß _a lern wegen einer ihnen anhaftenden anderen Be- dieses Moment innerhalb eines Bcrc.chs von. t » Kränkung, nämlich der geringen Beweglichkeit. 30 bis etwa 500 Gauß fur Domanen-Duidunc»er Dieser Ausdruck bezieht sich auf die Geschwindig- in der Größenordnung von 2.5 H) Bis,en KiI. mit welcher eine einwandige Domäne bei einem 2.5 ■ 10 * cm für v.cle ^Cnt}^a^T^ „„„Ν,,ηηη FMH .m Inneren des Materials über- 5° liegt. Andererseits haben einfache Granate

₅₅ 2

^ wÄige Versuche uiUernommen. die Be- Z ^isenplätzen oder an dem

wcglichkcit in hexagonalen Ferri.en zu verbessern, Platz verr.ngert werden kann. Es >st be

und einige dieser Versuche führten auch bis zu einem bc.sp.clswc.se eine Tc.lsubst tu or von

gewissen Grad zum Erfolg. Da es möglich ist, daß Aluminium. SiLz.um ode"G'™*™^

sich solche Materialien mit geeigneten Eigenschaften 60 durch Verdünnen des Eisens an ⁽'^e

herausbilden, wird die Suche nach Matcrialgruppcn Hauptplatzen ^T^^WMTt-%!^;l^Q_aZ_milm

fortgesetzt, die die obengenannten Beschränkungen daß ^V^nd^. ^.swcnse^Gado^

^mt vSⁿdcr letzten zehn Jahre hat sich ein Zimmertemperatur verringert ^a es «J Monj«.

beträchtliches Interesse für eine dritte Gruppe von 6₅ entgegen dem maßgebl.chen tetraednscnen lone

magnetischen Materialien gezeigt. Diese Materialien, ausrichtet Moment auch bei ein-

empfindlich gegen Tcmperatiirändcrungcn ist. so gill dies allgemein nicht für Zusammensetzungen, welche zur Verringerung des Moments modifiziert worden sind.

Demgemäß erfordert die Verwendung derart modifizierter Granat-Zusammensetzungen in Hinrichtungen mit einwandigen Domänen eine sehr genaue Temperatursteuerung. Dieses Erfordernis laßt diese Zusammensetzungen als Material für die genannten Anwendungsfälle in der Praxis häufig ausscheiden.

Das oben erläuterte Problem der Temperaturabhängigkeit wird bei der Einrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch überwunden, daß das Material ein Seltene-Erden-Eisengranat ist, daß die Magnetisierung des Materials durch den Einbau von zwei Ionentypcn zusätzlich zum Fe bestimmt ist, von denen der erste Typ einen tetraedrischcn Platz und der zweite Typ einen dodekaedrischen Platz besetzt, und daß der erste Typ wenigstens ein Ion aus der aus Ga^:l", Al^:r+. Si^{1 +} . Ge¹' und V^s: bestehenden Gruppe ist und in einer Menge von 0,3 bis 1,3 pro Formelcinheit vorliegt und der zweite Typ wenigstens ein Ion aus der aus den dreiwertigen Ionen der Elemente Gd, Tb, Dy, Ho, Eu, Er und Tm bestehenden Gruppe ist. In den Zeichnungen zeigen

Fi g. 1 und 2 in schematischer Darstellung bzw. Draufsicht eine Ausführungsform einer magnetischen Schaltung mit einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung und

Fig. 3 eine grafische Darstellung mit Kurven, welche die gegenseitige Abhängigkeit der beiden auf den Koordinaten aufgetragenen Parameter, 4 M in Gauß und die Temperatur in ° K, für eine Gruppe von fünf Zusammensetzungen zeigen, von denen eine erfindungsgemäßer Art ist.

Durch die Erfindung werden Granat-Zusammensetzungen mit allgemein im Bereich von etwa 30 bis 500 Gauß liegenden magnetischen Momenten angegeben, die durch Teilsubstitutionen weiter modifiziert werden, um die Abhängigkeit des magnetischen Momente« von der Temperatur zu verringern.

Allgemein erfordern die Zusammensetzungen erfindungsgemäß Substitutionen an dem tetraedrischen Platz und wenigstens ein R-Ion aus der Gruppe Eu. Gd, Tb, Dy, Ho, Er und Tm an den dodekacdrischen Plätzen.

Bei der Erfindung wird allgemein von einem Betrieb bei Zimmertemperatur ausgegangen, obwohl die angegebenen Zusammensetzungen allgemein über einen Bereich einschließlich Temperaturen von etwa — 34 bis + 54° C verwendbar sind. Um eine Temperaturempfindlichkeit innerhalb des vorgeschriebenen Magnetisierungsbereichs zu erreichen, ist es notwendig, ein nichtmagnetisches Ion zum Teil für tetraedrisehcs Eisen zu substituieren und gleichzeitig wenigstens ein Ion der obengenannten R-Ionengruppe an dem dodekaedrischen Platz einzubauen. Bei einer bevorzugten Gruppierung gibt es wenigstens ein R-Ion aus der Untergruppe Gd, Tb und Dy.

Das der Erfindung zugrunde liegende Hauptziel besteht darin, die Domänengröße stabil zu halten. Für viele Zwecke gibt dies Anlaß zu der Forderung, daß sich die Domänengröße nicht stärker als +20",O oberhalb eines erwarteten Betriebstemperaturbereiches verändert. Nimmt man eine begrenzte Temperaturänderung zwischen etwa 10 und etwa 50° C an, so ergibt dies eine maximal zulässige Änderung der Magnetisierung von 10" η innerhalb dieses Temperaturbereiches.

Wie nachfolgend noch abgeleitet werden wird, ist

die obige Annahme vereinfacht, da andere Parameter, von denen die Domänengriißc abhängig ist. sich ebenfalls mit der Temperatur ändern können und da andere Temperaturbereiche hctrolTcn sein können.

1. Figuren

ίο Die Einrichtung gemäß den F i g. 1 und 2 ist ein Ausführungsbeispiel für die in I. F.. E. E. Transactions on Magnetics, Band MAG-5, Nr. 3. September 1469, S. 544 bis 553. beschriebenen, domäncnvcrwendcndcn Schaltungen bzw. Einrichtungen, bei denen Schalt-, Speicher- und Logik-Funktionen von der Erzeugung und Übertragung eingeschlossener, allgemein zylindrischer magnetischer Domänen mit einer gegenüber der Polarisation des unmittelbar umgebenden Gebiets umgekehrten Polarisation abhängig sind. Das Interesse an derartige Schaltungen konzentriert sich zum großen Teil auf die bei ihnen mögliche sehr hohe Schreibdichic, denn es wird erwartet, daß kommerzielle Schaltungen mit 1,5 · K)¹ bis 1,5 H)" Bit-Plätzen pro Quadratzentimeter zur Verfügung steher werden. Die Schaltung gemäß den Fig. 1 und 2 stellt eine etwas fortgeschrittene Stufe der Entwicklung -von cinwandigen Domänen verwendenden Einrichtungen dar und enthält einige Details, welche in vor kurzem ausgeführten magnetischen Schaltungen verwendet wurden.

Fig. I zeigt eine Anordnung 10 mit einer Schicht oder einer Platte 11 aus einem Material, in welchem einwandige Domänen übertragen werden können. Die Bewegung der Domänen ist durch Muster aus magnetisch weichem Auflagematerial in Abhängigkeit von umorientierenden Feldern in der Plalten- bzw. Schichtebene vorgeschrieben. Für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung wird vorausgesetzt, daß die Auflagen stab- und T-föirmige Abschnitte sind und sich das Umorientierungsfeld in Uhrzeigerrichtung in der Ebene der Schicht bzw. Platte 11 gemäß Fig. 1 und 2 dreht. Die Umorientierungsfeldquelle ist in Fig. 1 als Block 12 dargestellt und kann zwei gegenseitig orthogonale Spulenpaare (nicht gezeigt) aufweisen, die in bekannter Weise mit 90" Phasenverschiebung betrieben werden. Die Konfiguration der Auflage ist in F i g. 1 nicht im einzelnen gezeigt. Statt dessen sind nur geschlossene »Infc .-mationse-Schleifen gezeigt, um die Erläuterung des erfindungsgemäß vorgesehenen grundsätzlichen Aufbaus zu erleichtern. Die Ausführung wird nachfolgend beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine Anzahl von horizontalen geschlossenen Schleifen, die durch eine vertikale ge-

schlossene Schleife in rechte und linke Spalten unterteilt sind. Es ist zweckmäßig, sich vorzustellen, daß die Information, z. B. die Domänen-Muster, in jeder Schleife im Uhrzeigersinn umläuft, wenn sich ein Feld in der Schichtebene im Uhrzeigersinn dreht.

Diese Betriebsweise wird nachfolgend noch genauer erläutert.

Die gleichzeitige Bewegung von Domänen-Mustern in allen durch die in Fig. I gezeigten Schleifen dargestellten Registern wird durch das Feld synch«Onisiert. Zur genaueren Erläuterung wird eine in F i g. 1 mit dem Bezugszeichen 13 bezeichnete Stelle jedes Registers beobachtet. Jede Drehung des Umorientierurigsfeldes rückt ein nächstfolgendes Bit (Vor-

handensein oder Fehlen einer Domäne) auf diese Stelle in jedem Register vor. Auch ist die Bewegung der Bits im vertikalen Kanal mit dieser Bewegung synchronisiert.

Bei normalem Betrieb sind die horizontalen Kanäle durch Domänen-Muster belegt, und der vertikale Kanal ist unbelegt, Hin Binär-Wort umfaßt ein Dorcv ncn-Musler. welches gleichzeitig alle Stellen 13 in — je nach der speziellen Anordnung des gegebenen Falles — einer oder beiden Spalten belegt. Es ist ohne weiteres einzusehen, daß ein auf diese Weise dargestelltes Binär-Wort für eine Übertragung in die vertikale Schleife geeignet angeordnet ist.

Die Übertragung eines Domänenmusters auf die vertikale Schleife ist selbstverständlich genau die Funktion, welche anfänglich entweder für eine Einlese- oder eine Ausleseoperation durchgeführt wird. Die Tatsache, daß sich die Information stets synchronisiert bewegt, gestattet eine Parallel-Übertragung eines ausgewählten Wortes zum vertikalen Kanal durch das einfache Mittel der Kennzeichnung oder Zuordnung der Zahl der Umläufe des Feldes und der Ausführung der Parallel-Übertragung des ausgewählten Wortes während des entsprechenden Umlaufs.

Die Übertragungsstelle ist in Fig. 1 durch die strichpunktiert gezeigte Schleife T gekennzeichnet, welche den Vertikal-Kanal umgibt. Die Operation führt zur Übertragung eines Domänenmusters von (einar oder) beiden Regisiterspalten in den vertikalen Kanal. Beispielsweise erfordert eine Übertragung eines IOOO-Bit-Worts die Übertragung von beiden Spalten. Die Übertragung erfolgt unter der Kontrolle einer durch den 3lock 14 in F i g. 1 dargestellten Übertragungsschaltung. Die Übertragungsschaltung kann eine Schieberegister-Kennzeichnungsschaltung zum Steuern der Übertragung eines ausgewählten Wortes aus dem Speicher aufweisen. Das Schieberegister ist selbstverständlich im Material 11 gebildet.

Nach der Übertragung bewegt sich die Information im vertikalen Kanal zu einer Eingabe-Ausgabe-Stelle, die durch den vertikalen Pfeil A 1 dargestellt wird und mit einer durch den Block 15 in Fig. 1 dargestellten Eingabe-Ausgabe-Schaltung verbunden ist. Diese Bewegung erfolgt in Abhängigkeit von aufeinanderfolgenden Umorientierungen des in der Schichtebene umlaufenden Feldes synchron mit der in den parallelen Kanälen im Uhrzeigersinn verlaufenden Bewegung der Information. Eine Ausleseoder Einlese-Operation ist von Signalen der Steuerschaltung 16 abhängig und wird weiter unten im einzelnen erläutert.

Abschluß eines Ein- oder Auslesevcrganges bildet in ähnlicher Weise die Übertragung eines Domänen-Musters zum horizontalen Kanal. Jede Operation erfordert den Wiederumlauf von Information in der vertikalen Schleife zu den Stellen 13, wo eine Übertragungsoperation das Muster von dem vertikalen Kanal in der oben beschriebenen Weise in geeignete horizontale Kanäle zurückbringt. Auch dabei ist die Bewegung der Information durch das rotierende Feld stets synchron, so daß nach der Durchführung der Übertragung geeignete Leerstellen zur Aufnahme von Information in den horizontalen Kanälen an den Stellen 13 (Fig. 1) zur Verfügung stehen.

Der Einfachheit halber ist die Bewegung von nur einer einzigen, als binäre Eins bewerteten Domäne von einem horizontalen Kanal in den vertikalen Kanal dargestellt. Bei Fehlen einer Domäne, was als eine biniirc Null bewertet wird, ist die Operation für alle Kanäle die gleiche. F i g. 2 zeigt einen Abschnitt eines Auflagennisters, das einen repräsentativen horizontalen Kanal bildet, in welchem eine Domäne bewegt wird. Beachtet wird insbesondere die Stelle 13, an der die Domänen-Übertragung stattfindet.

Es ist zu sehen, daß das Auflagemuster sich wiederholende Abschnitte enthält. Wenn das Feld mit der Richtung der größeren Abmessung eines Auflageabschnittes ausgerichtet ist, so induziert es in den Endteilen der Abschnitte Pole. Es sei angenommen, daß das Feld anfänglich in der durch den Pfeil H gemäß F i g. 2 angezeigten Richtung orientiert ist und daß positive Pole Domänen anziehen. Ein Zyklus bzw. ein Umlauf des Feldes kann aus vier Phasen bestehend angesehen werden, wobei es eine Domäne aufeinanderfolgend zu den in Fig. 2 durch die umrandeten Zahlen 1, 2, 3 und 4 bezeichneten Stellen bewegt, die nacheinander von positiven Polen belegt werden, wenn das Drehfeld mit diesen Stellen in Ausrichtung gelangt. Selbstverständlich entsprechen die Domänen-Muster in den Kanälen dem Wieder-

a₅ holungsmuster der Auflage. Das heißt, die nächst benachbarten Bits liegen um ein Wiederholungsmuster auf Abstand. Die gesamten Domänenmuster, weiche aufeinanderfolgende Binär-Worte repräsentieren, bewegen sich demzufolge nacheinander zu den Stellen 13.

Die besondere Ausgangsstellung gemäß F i g. 2 wurde gewählt, um eine Beschreibung normaler Domänen-Übertragung in Abhängigkeit von sich in der Ebene drehenden Feldern zu vermeiden. Diese Betriebsweise ist im einzelnen in der obengenannten Vorveröffentlichung beschrieben. Statt dessen werden die in F i g. 1 von rechts aufeinanderfolgenden Stellungen einer Domäne neben dem vertikalen Kanal vor einer Übertragungsoperation beschrieben. Eine Domäne an der in Fig. 2 gezeigten Stelle 4 ΐ-,ί für den Beginn des Übertragungszyklus bereit.

Fig. 3 dient zur anschaulichen Erläuterung sowohl der Grundlage als auch des Ergebnisses des erfindungsgemäßen Konzepts.

Die Kurve 41 der Fig. 3 stellt die Teniperatur-

abhängigkeit einer bekannten Zusammensetzung dar, deren Moment durch Verwendung eines magnetischen Ions an einem dodekaedrischen Platz verringert wurde. Es wird allgemein anerkannt, daß diese Zusammensetzung, Gd₃Fe₅O₁.,. ein niedriges Moment in der Nähe der Zimmertemperatur hat. Es ist zu sehen, daß das niedrige Moment auf einen magnetischen Kompensationspunkt bezogen ist, der bei etwa 286° K liegt. Dieser Kompensationspunkt liegt in unmittelbarer Nähe der Zimmertemperatur, und die Temperaturabhängigkeit ist in der Nähe des Kompensationspunktes so groß, daß dieses Material in der Regel für magnetische Schaltungen, bei denen die Magnetisierung innerhalb vorgegebener enger Grenzen gehalten werden soll, ungeeignet ist. Die Kurve 42 zeigt die Beziehung für die übliche YIG-Zusammensetzung (Y₃Fe₃O₁₂). Es ist zu sehen, daß dieses prototypische Material eine deutliche Temperaturabhängigkeit zeigt, obwohl das Moment nicht durch einen Kompensationspunkt läuft. Auf jeden Fall ist

dieses Material für die üblichen Schaltungen mit einwandigen Domänen nicht brauchbar, da die Magnetisierung bei weitem zu hoch ist.

Die Kurve 43 ist die Vektorsumme der Kurven 41

409634/300

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und 42. Da der Etiekt der Vcktorsummation aus der gering angenommen wird). Diese bevorzugte Grenze Beseitigung des Beitrags der Ionen an den tetraedri- ist auch für kritische Ausführungen geeignet, bei sehen und oktaedrischen Plätzen entsteht, ist die denen die Abstände angenähert gleich den Durch-Folge eine Darstellung des Beitrags von Gadolinium messern der einwandigen Domänen sind, allein. Die Kurve 44 ist für die Zusammensetzung 5 Die Temperaturabhängigkeit wird in Einheiten der Y₁₁₅Gd_1-5Fc₈O₁₂ repräsentativ. Es ist zu sehen, daß gesamten Temperaturauslenkung bzw. -Schwankung der Temperaturkoeffizient im Bereich der Zimmer- ausgedrückt. Dies kann nicht ohne weiteres in Eintemperatur durch Verringerung der Kompensations- heiten einer zulässigen Änderung pro Grad umgewanpunkttemperatur (in diesem Falle auf etwa 120° K) delt werden, da es insbesondere bei großen Betriebsdeutlich verringert ist. Die Magnetisierung wurde rela- io temperaturbereichen möglich ist, Übergangspunkte in tiv zu derjenigen der Zusammensetzung gemäß der der Temperaturabhängigkeitscharakteristik auszunut-Kurve 41 beträchtlich erhöht. Das Moment 4.-7/W, zen. So besitzt beispielsweise die in Fig. 3 gezeigte das bei Zimmertemperatur in der Nähe von Zusammensetzung gemäß der Kurve 45 einen Tempe-1000 Gauß liegt, ist jedoch für viele Anwendungs- raturübergang bei etwa Zimmertemperatur, so daß fälle zu hoch. Eine an sich mögliche Reduzierung des 15 die maximale Temperaturauslenkung bei geeigneter Momentes bei einer beide Kationen enthaltenden Zu- Wahl kleiner als die Hälfte des Produktes aus der sammensetzung durch Verwendung geringerer Men- Änderung pro Grad und dem Temperaturbereich ist. gen von Yttrium hat einen geringeren Effekt auf den Die oben angestellten Überlegungen führen zu zwei Kompensationspunkt und verringert daher nicht aus- grundlegenden Erfordernissen. Es wird stets angereichend die Temperaturabhängigkeit. Die Kurve 45 20 nommen, daß Zusammensetzungen mit fünf Eisenzeigt die Beziehung für eine erfindungsgemäß gewählte ionen pro Formeleinheit für den gewünschten Domä-Zusammensetzung, in diesem Falle nendurchmesserbereich eine zu hohe Magnetisierung Y Gd Ga Fe O haben. (Ausnahmen sind Granate des Gadoliniums, 1.5 1.5 o.e 4.4 is- Terbiums und Dysprosiums, die alle stark von der Es ist zu sehen, daß das Moment im Bereich der as Temperatur abhängige Magnetisierungen haben.) Bei Zimmertemperatur bei etwa 150 Gauß liegt, wobei solchen Zusammensetzungen haben die Eisenionen die Magnetisierungsauslenkung über den kritischen an den tetraedrischen Plätzen das Übergewicht, und Temperaturbereich weniger als 15 Gauß beträgt. das magnetische Moment für die erfindungsgemäßen

„ τ- ·. . JT . Zusammensetzungen wird durch Verdünnen des

2. Erörterungen der Zusammensetzungen „ *-■ ,· %,,.. , . »^"»»>·'

^{5 6} 30 Eisens an diesen Platzen auf einen gewünschten Be-

Unter dem Gesichtspunkt der Erfindung gibt es reich verringert.Nichtmagnetische Ionen, die vorzugs-

zwei Grunderfordernisse in bezug auf magnetische weise an die tetraedrischen Plätze treten, haben

Probleme: (1) Das Moment muß innerhalb eines zu- lonenradien von 0,62 λ oder kleiner. Erste Beispiele

lässigen Bereichs liegen, um geeignete Domänen- sind Ga^{3 +} , Al^{3 +} , Si^{4 +} , Ge⁴⁺ und V^{3 +} . (Es ist beabmessungen zu erzielen (der breite Bereich von etwa 35 kannt, daß die Verwendung anderer als dreiwertiger

30 bis etwa 500 Gauß wurde angegeben; ein bevor- Ionen Ladungskompensation erforderlich macht, und

zugter Bereich erstreckt sich von etwa 70 bis etwa es ist ferner bekannt, daß dies durch Verwendung

300 Gauß); und (2) diese Eigenschaft wie auch zwei- oder einwertiger Ionen an jedem dieser Katio-

andere magnetische Parameter, weiche die Domänen- nenplätze erreicht werden kann.) größe beeinflussen, sollten in einem sinnvollen Maß 40 Die Erfindung geht allgemein von der Annahme

unabhängig von Temperaturänderungen sein. aus, daß ein Betrieb bei oder nahe Zimmertemperatur

Die zulässige Temperaturabhängigkeit bezieht sich erfolgt. Gestützt auf diese Annahme ist erfindungsihrerseits auf die Ausbildung der Einrichtung und die gemäß eine Substitution an dem tetraedrischen Platz erwarteten Betriebsbedingungen. Extreme Betriebs- unabhängig von der Art des Verdünnungsmittels von bedingungen, z.B. bei Verwendung in ungeheizten 45 etwa 0,3 bis etwa 1,3 pro Formeleinheit vorgesehen. Gebäuden oder im Freien, können zu einem Tempe- Der Maximalwert von 1,3 berücksichtigt, daß viele raturbereich von etwa - 35 bis + 55 C führen. Kri- Verdünnungsmittel, die vorzugsweise "tetraedrische tische Bauformen haben einen zulässigen Abstand Plätze besetzen sollen, bis zu einem gewissen Ausmaß zwischen den Domänen, der nicht größer als der auch an oktaedrischeri Plätzen auftreten. Ein bevor-Domänendurchmesser ist. Unter diesen Umständen 50 zugter Maximalwert liegt bei etwa 0,95, da dieser sollten die Domänendurchmesser um nicht mehr als notwendigerweise eine Beibehaltung des tetraedri- + 20⁰Zo variieren. Es wurde generell festgestellt, daß sehen Übergewichts auch für solche Ionen ergibt, Zusammensetzungen, die zu der gewünschten Un- welche nicht in oktaedrische Plätze eindringen. (Es empfindlichkeit des magnetischen Momentes in bezug gibt drei tetraedrische Plätze pro Formeleinheit.) Die auf die Temperatur führen, auch eine ausreichende 55 sich aus einer derartigen Verdünnung ergebende Ma-Unempfindlichkeit der anderen, in die Domänen- gnetisierung ist nicht von anderen Zusammensetzungsabmessungen eingehenden magnetischen Parameter Variationen unabhängig; wenigstens eine dieser Variaergeben, so daß diese anderen Parameter außer Be- tionen isi ebenfalls eine mit der Erfindung verbundene tracht bleiben können. Forderung. Für die meisten geeigneten Substitutionen

Die obigen und entsprechende Betrachtungen füh- 60 an anderen Plätzen ist dieser Verdünnungsbereich am

ren zu einer insgesamt zulässigen Magnetisierungs- tetraedrischen Platz jedoch ausreichend, um den ge-

auslenkung von etwa 25⁰Zo. Dies bedeutet eine weite wünschten weiten Magnetisierungsbereich von etwa

zulässige Grenze. Eine bevorzugte Grenze liegt bei 30 bis 500 Gauß zu ermöglichen,

etwa 10⁰Zo Änderung der Magnetisierung. Aus der Die Kenntnis der Granatzusammensetzungen ist Gleichung ist zu ersehen, daß eine 1C "Zeige Änderung 65 sehr weit entwickelt. Selbstverständlich sind die obi-

der Magnetisierung von einer 20 "Zoigen Änderung gen Hinweise in vieler Hinsicht rein illustrativer Art.

des Domänendurchmessers begleitet ist (wenn der So können beispielsweise andere Ionen das Eisen zur

Beitrag der anderen magnetischen Parameter als Verringerung des Momentes ersetzen.

ZusammenseUungsforderung 1

Die erste Forderung der Erfindung ist, wie oben erläutert, die Veringerung des durch Eisen an den tetraedrischen Plätzen hervorgerufenen magnetischen Moments.

zeichen haben, so daß Eu oder Tb vorzugsweise einbezogen wird, wenn die Magnetostriktion in dieser leicht magnetisierbarer! Richtung minimalisiert werden soll.

Zusammensetzungsbereiche für den dodekaedrischen Platz sind von einer Anzahl von Faktoren abhängig, so z. B. von der gewünschten Betriebstemperatur, der zulässigen Temperaturabhängigkeit und den besonderen Ionen. Von diesen Faktoren ist eier dritte

misse kann die Menge der eingebauten magnetischen Seltene-Erden-Ionen vergrößert werden, wenn man in der Reihenfolge abnehmenden R-Ionenmomente Gd, Tb, Dy, Ho, Eu, Er, Tm, Yb und Sm weitergeht. Ce, Pr und Nd sind in dieser Reihe nicht erfaßt, da sie in den Granaten begrenzte Löslichkeit haben. Im allgemeinen umfaßt die bevorzugte Zusammensetzung ein oder mehrere der Ionen von Europium, Gadolinium, Terbium und Dysprosium zusammen mit einem oder

dodekaedrischen Plätze, wobei die Elemente der Gruppe (B) die erforderliche Differenz ergänzen Wenn andere nichtmagnetische Ionen, z. B. Bi^:l! oder Ca^{2 +} , eingebaut werden, werden diese zur Gruppe (B) gezählt.

Eine besonders bevorzugte Zusammensetzungsklasse von Ionen zur Besetzung dodekaedrischer Plätze umfaßt alle Ionen von Eu, Gd und Tb. Die dodekaedrischen Plätze können außerdem nichtmagnetische oder schwachmagnetische Ionen enthalten.

Die folgende beispielsweise Tabelle, die allein auf die Besetzung des dodekaedrischen Platzes bezogen ist, gibt drei derartige Zusammensetzungen an. die sich für die Verwendung bei magnetischen Schaltungen als zweckmäßig erwiesen haben.

Zusammensetzungsfordcrung Il

Die zweite Forderung der Erfindung betrifft den

dodekaedrischen Platz. Eine Formeleinheit enthält 10 wahrscheinlich der wesentlichste. Als genereile Prädrei solcher Plätze. Diese Plätze sind gewöhnlich durch Yttrium, Lanthan und den 4f-Seltene-Erden-Ionen besetzt. Diese können in die stark bis mittelmäßig magnetische Gruppe (A) Gd, Tb, Dy, Ho, ^u, Er und Tm und die nicht schwache oder entgegen- 15 gesetzt ausgerichtete magnetische Gruppe (B) Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Yb und Lu unterteilt werden. Die Wiikung der Ionen der magnetischen Gruppe (B) ist ähnlich derjenigen von nichtmagnetischen Ionen, da ihr m gnetischer Beitrag im Gegensatz zu demjenigen 20 mehreren der Ionen aus der Gruppe B. Der Bereich des tetraedrischen Eisens relativ gering oder nicht der Gruppe (A) erstreckt sich von IO bis 70°/₀ der vorhanden ist. Bei der Prototyp-Zusammensetzung YIG ist der dodekaedrische Platz von einem nichtmagnetischen Ion besetzt. Dieses Ion Y³⁺ kann durch Lu^:)l oder teilweise durch La^:1+ ersetzt werden, ohne 15 daß eine wesentliche Änderung der magnetischen Eigenschaften eintritt. Es ist eine Forderung der Erfindung, daß der dodekaedrische Platz wenigstens teilweise von einem magnetischen Ion der Seltenen Erden besetzt ist, deren Gcsamt-(spin- und Bahn-) 30 moment demjenigen des tetraedrischen Eisens entgegengesetzt ausgerichtet ist und eine ausreichende Stärke hat, um eine merkliche Verringerung des Λ7 bei Zimmertemperatur herbeizuführen. Diese dreiwertigen Ionen der 4f-Seltenen-Erden sind als 35 Gruppe (A) gegeben, welche die Elemente der Ordnungszahlen 63 bis 69 im Periodischen System umfaßt. Der Effekt einer solchen Besetzung besteht darin, einen realen oder negativen Temperaturkompensationspunkt zu erzeugen, der einen zugehörigen 40 Übergang in der Temperaturkennlinie ergibt. Die Verwendung einer geeigneten Menge solcher Ionen zusammen mit einer geeigneten Verdünnung entweder einer oder beider Eisenplätze kann daher zur Erfüllung der Grundbedingungen führen, d. h. zu einem 45 magnetischen Moment innerhalb des angegebenen Bereichs und einer zulässigen Temperaturabhängigkeit des magnetischen Momentes und anderer magne- Die Besetzung des dodekaedrischen Platz:.. wurde tischer Eigenschaften. an Hand bevorzugter Zusammensetzungen erläutert.

Eine erfindungsgemäß vorgesehene bevorzugte Zu- 5° Es wurde allgemein angegeben, daß wachsende Mensammensetzung enthält wenigstens zwei Ionen an gen von magnetischen Ionen entsprechend der angedodekaedrischen Plätzen, von denen wenigstens eins gebenen Reihenfolge bzw. Ordnung eingebaut werden aus der Gruppe (A) gewählt ist. können. Bei Zimmertemperaturbetrieb können die

Eine weiterhin bevorzugte Klasse bzw. Gruppe Mengen im Bereich von maximal 70⁰Zo der dodekaumfaßt wenigstens eines der dreiwertigen Ionen von 55 edrischen Plätze für Gd, 8O°,'o für Tb und 100° 0 für Eu, Gd, Tb oder Dy, da diese Gemische die günstigste Temperaturabhängigkeit bei Zimmertemperaturbetrieb ergeben. Innerhalb dieser Klasse bzw. Gruppe wird entweder Gadolinium. Terbium oder beiden, je nach Aufbau der Einrichtung, der Vorzug gegeben. Gadolinium ist das einzige magnetische 4f-Seltene-Erden-Ion, das keinen Raumdrehimpuls besitzt. Es wird angenommen, daß gerade aus diesem Grund das Ion nicht den ungünstigen Effekt auf die Domänenbeweglichkeit hat, den die anderen der magnetischen 65 4f-SeItenen-Erden-Ionen zeigen. Aus der l »nippe (A) sind Europium und Terbium die einzigen, die ein in der (111)-Richtung positives Magnetostriktionsvor-

	Tabelle 1	Gd	Tb
Lu (oder Y)	Eu	2,325 1,00 0,50	0.585 0.50 0,47
1,34 1,85	0,09 0.16 0,18

⁶°

Dy und die anderen angegeben werden. Es isl notwendig, daß wenigstens 10% von wenigstens einer Gruppe (A) Ionen vorhanden sind. Wenn Kombinationen solcher magnetischer Ionen einbezogen werden, so kann der Maximalbereich für den Einbau durch algebraischeMittelwertbildung bestimmtwerden.

3. Züchtung

Die erfindungsgemäße Konzeption ist im wesen-Rchen vom Züchtungs- bzw. Wachstumsprozeß unabhängig, abgesehen davon, daß die Züchtung bei Temperaturen unter etwa 1200° C wesentlich ist, um

eine Ordnung zu gewährleisten, welche einer magnetisch einachsigen Ausrichtung dienlich ist. (Dies schließt nicht eine Erzeugung bei höherer Temperatur ta einer mit fallenden Temperaturen arbeitenden Technik aus, da tine Angleichung an das auf niedrigerer Temperatur befindliche Material erfolgt.) Geeignete kristalline Materialien können aus der Schmelze entweder spontan oder auf einem Zuchtkeim (vergleiche z.B. Journal of Physics, Chem. Solids Suppl. Chrystal Growth, H. S. Peiser [1967],

l bis 444, und Journal of Applied Physics, '13 S 1362 [1962]) oder hydrotbermisch (vgl. S of American CnU. Society, 45 51 [1962]) durch Abscheiden aus der Dampf-Phase, Zerstäuben, thermisches Niederschlagen oder durch Zonen-Gradieaten-Transport gezüchtet werden (vergle.che ζ B. Journal of Applied Physics, 39, S. 4700 [1968, aS äysteLetters, 10 S. 190 bfe 194 [1967], Crvstal Growth von F. C. FranK, J. B. Mullin und H. S. Peiser, 443 [1969]).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

1. 2Π8250 7

   1 2

   isotropie aufweist, dergestalt, daß eine im wesent-

   Patentansprüche: liehen senkrecht zur Körperebene orientierte Vorzugsmagnetisierungsrichtung vorhanden ist und Ιοί. Ferrimagnetisches Material für eine ma- kale, eingeschlossene Bereiche mit einer zu dergnetische Schaltung, das in Form eines planeren s jenigen des Umgebungsmaterials entgegengesetzten Körpers magnetische Anisotropie aufweist, der- magnetischen Polarisation zugegen sind, wobei die gestalt, daß eine im wesentlichen senkrecht zur Schaltung eine die Lage der entgegengesetzt polari-Körperebene orientierte Vorzugsmagoetisierung sierten, lokalen, eingeschlossenen Bereiche beeinvorhanden ist und lokale, eingeschlossene Be- flussenden Einrichtung und eine Übertragungsreiche mit einer zu derjenigen des Urogebungs- jo einrichtung aufweist, weiche diese Bereiche in dem materials entgegengesetzten magnetischen PoIa- Körper überträgt

   risation zugegen sind, wobei die Schaltung eine Dieses Material wird in erster Linie bei Einrich-

   die Lage der entgegengesetzt polarisierten, lo- tungen eingesetzt, deren Betrieb auf einwandigen kalen, eingeschlossenen Bereiche beeinflussenden Domänen beruht Als einwandige Domäne soll hier Einrichtung und eine Übertragungseinrichtung 15 ein gegenüber der Umgebungsmagnetisierung umaufweist, welche diese Bereiche in dem Körper gekehrt polarisierter magnetischer Bezirk verstanden überträgt, dadurch gekennzeichnet, daß sein, der durch eine einzige, in sich geschlossene das Material ein Seltene-Erden-Eisengranat ist Domänenwand begrenzt ist. Einwandige Domänen daß die Magnetisierung des Materials durch den verwendende Einrichtungen können eine Vielzahl Einbau von .wei lonentypen zusätzlich zum Fe »o von Funktionen erfüllen, so z. B. Schalt-, Speicherbestimmt ist, von denen der erste Typ einen tetra- und Logik-Funktionen.

   edrischen Platz und der zweite Typ einen In den letzten Jahren zeichnete sich ein deutliches

   dodekaeürischen Platz besetzt, und daß der erste Interesse an der Entwicklung von magnetischen Ein-Typ wenigstens ein Ion aus der aus Ga^{1 +} , Al·¹ , richtungen ab. die allgemein als Einwanddomänen-Si¹*, Ge⁴^ und V·*·' bestehenden Gruppe ist und 25 Einrichtungen bekannt sind. Solche Einrichtungen, in einer Menge von 0.3 bis 1.3 pro Formeleinheit die z. B. in IEEE Transactions Mag. 5 (1969), S. 544 vorliegt und der zweite Typ wenigstens ein Ion bis 553. beschrieben sind, haben eine allgemein plaaus der aus den dreiwertigen Ionen der Elemente nare Ausbildung und bestehen aus Stoffen, welche Gd, Tb. Dy, Ho, Eu, Er und Tm bestehenden im wesentlichen senkrecht zur Ebene des Körpers Gruppe ist. 30 eine Richtung leichter Magnetisierbarkeit aufweisen.
2. 2. Magnetisches Material nach Anspruch 1, da- Magnetische Eigenschaften, z.B. Magnetisierung, durch gekennzeichnet, daß 'er dodekacdrische Anisotropie, Koerzitivkraft, Beweglichkeit sind so Platz von wenigstens eirem zusätzlichen Ion be- gewählt, daß die Einrichtung mit einer Magnetisieletzt ist. das aus der aus dreiwertigen Ionen des rung in einer Richtung aus der Ebene heraus magne-Y, La. Ce, Pr. Nd, Sm. Yb und Lu bestehenden 35 tisch gesättigt gehalten wird und daß kleine einGruppe ausgewählt ist. geschlossene Polarisationsbereiche, die der allgc-
3. 3. Magnetisches Material nach Anspruch 1 meinen Polarisationsrichtung entgegengesetzt auseder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite gerichtet sind, übertragen werfen können. Solche lonentyp wenigstens ein Ion aus der aus Eu^:)t\ eingeschlossenen Bereiche, welche eine allgemein Gd^1-, Tb^;( und Dy³⁺ bestehenden Gruppe auf- 40 zylindrische Konfiguration besitzen, stellen Speicherweist. Bits dar. Das Interesse an Einrichtungen bzw. Bau-
4. 4. Magnetisches Material nach einem der An- elementen dieser Art basiert zum großen Teil auf der iprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der hohen Bit-Dichic. Man rechnet mit Bit-Dichten bis «weite lonentyp sowohl Gd¹⁺ als auch Tb·^{1 h} um- zu 1,55 ■ 10' Bits oder mehr pro Quadratzentimetcr faßt. 45 des Plättchens. Bit-Dichten sind ihrerseits abhängig
5. 5. Magnetisches Material nach einem der An- von der Fähigkeit des Materials, eingeschlossene Be- $prüche I bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß der reiche genügend kleiner Abmessungen zu übertragen, «weite lonentyp Eu³¹" und wenigstens ein Ion Bei einer besonderen Ausführungsform, die bci-11 us der aus Dy^{:1 +} , Ho³"', Er¹⁺ und W be- spielsweise eintn 10⁽ⁱ-Bit-Speichcr darstellt, kommen !teilenden Gruppe umfaßt. 5° cinwandige Domänen in der Größenordnung von
6. 6. Magnetisches Material nach einem der An- 8 10 ¹Cm Durchmesser in Betracht. Ein 10^s-Bittprüche I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher kann auf dreifach größeren stabilen Dotweite lonentyp in einer Menge von wenigstens mänen basieren, und ein lO'-Bit-Speicher erfordert 0,3 pro Formeleinheit enthalten ist stabile einwandige Domänen, deren Durchmesser
7. 7. Magnetisches Material nach einem der An- 55 ein Drittel desjenigen bei einem IO"-Bit-Speicher ist. tpriichc I bis 6. dadurch gekennzeichnet, daß Bis heute bildete die Materialbeschränkung eines der Maximalanteil des ersten Ionentyps (),^l)5 der bedeutenderen Hindernisse an einer kommcrfcelrä'gt. zielten Realisierung solcher Einrichtungen bzw. Bauelemente. Das erste Problem war mehr praktischer,

   60 hcrstellungstechnischer Art, nämlich die Züchtung ausreichend großer Kristalle, die ausreichend fehlcr-

   frei sind, physikalische und chemische Stabilität zeigen usw. Ein ebenso maßgebliches Problem gehört eher in den Grundlagenbereich. Materialien mit der 65 erforderlichen einachsigen Anisotropie waren allge-

   Die Erfindung bezieht sich auf ein ferrimagnc- mein in gewisser Hinsicht nicht zufriedenstellend. So :hes Material für eine magnetische Schaltung, das basierten beispielsweise bekannte ausgeführte Schal-Form eines planaren Körpers magnetische An- tungen allgemein auf Orthoferriten der Seltenen