DE2118285A1

DE2118285A1 - Magnetische Einrichtung

Info

Publication number: DE2118285A1
Application number: DE19712118285
Authority: DE
Inventors: Andrew Henry Chatham; Sherwood Richard Curry New Providence; Uitert Le Grand Gerard van Morris Township; N.J. Bobeck (V.StA.). P
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1970-04-20
Filing date: 1971-04-15
Publication date: 1971-12-02
Also published as: JPS5132318B1; DE2118285B2; DE2118285C3; FR2089882A5; CA943331A; BE765851A; GB1347901A; CH566618A5; SE376103B; NL7105224A; NL156532B; US3665427A

Description

WESTERN ELBGTRIC COMPANY, INCORPORATED Bobeck 74-7-54 New York

211 Π 2 8 5

Magnetische Einrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine magnetische Einrichtung mit einem Körper aus ferrimagnetischem Material, das einachsig magnetisch anisotrop sein und lokale eingeschlossene Bereiche mit einer derjenigen des Umgebungsmaterials entgegengesetzten magnetischen Polarisation führen kann, und mit einer Einrichtung zum Einstellen der entgegengesetzt polarisierten, lokalen eingeschlossenen Bereiche. Dabei befaßt sich die Erfindung mit Einrichtungen, in welchen einwandige Domänen verwendet werden. Als einwandige Domäne soll hier ein gegenüber der Umgebungsmagnetisierung umgekehrt magnetisierter magnetischer Bezirk verstanden sein, der durch eine einzige, in sich geschlossene Domänenwand begrenzt ist. Einwandige Domänen verwendende Einrichtungen können eine Vielzahl von Punktionen erfüllen, so zum Beispiel Schalt-, Speicher- und Logik-Funktionen.

In den letzten Jahren zeichnete sich ein deutliches Interesse an der Entwicklung in einer Gruppe von magnetischen Einrichtungen ab, die allgemein als einwandige Domänen verwendende Einrichtungen bekannt sind. Solche Einrichtungen, die zum Beispiel in IEEE Transactions Mag. 5 (196^) Seiten 544 - 553 beschrieben_rsind, haben eine allgemein planare

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Ausbildung und bestehen aus Stoffen, welche im wesentlichen senkrecht zur Ebene des Bauteils stehende Richtungen leichter Magnetisierung aufweisen. Magnetische EigensοηαΓϋΰη, z. B. Magnetisierung, Anisotropie, Koerzitivkraft, Beweglichkeit sind so gewählt, daß die Einrichtung mit einer Magnetisierung in einer Richtung aus der Ebene heraus magnetisch gesättigt gehalten wird und daß kleine eingeschlossene Polarisationsbereiohe, die der allgemeinen Polarisationsrichtung entgegengesetzt ausgerichtet sind, geführt werden können. Solche eingeschlossenen Bereiche, welche eine allgemein zylindrische Konfiguration besitzen, stellen Speicher-Bits dar. Das Interesse an Einrichtungen bzw» Bauelementen dieser Art basiert zum großen Teil auf der hohen Bit-Dichte. Man rechnet mit Bit-Dichten bis zu 1,55 x 10' Bits oder mehr pro Quadratzentimeter des Plattchens. Bit-Dichten sind ihrerseits abhängig von der Fähigkeit des r.'iaterials, eingegrenzte Bereiche genügend kleiner Abmessungen zu führen»

Bei einer besonderen Ausführungsform, die beispielsweise einen 10^b Bit-Speicher darstellt, kommen einwandige Domänen in der Größenordnung von 8 χ 10 cm Durchmesser in Betracht.

Ein 10^ Bit-Speicher kann auf dreifach größeren stabilen

η
Domänen basieren, und ein 10 Bit-Speicher erfordert stabile

einwandige Domänen, deren Durchmesser ein Drittel desjenigen bei 10^b Bit-Speicher ist.

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INSPECTED

Bis heute bildete die Materialbeschränkung eines der bedeutenderen Hindernisse an einer kommerziellen Realisierung solcher Einrichtungen bzw. Bauelemente. Das erste Prouiem war mehr praktischer, herstellungstechnischer Art, nämlich die Züchtung ausreichend großer Kristalle, die ausreichend fehlerfrei sind, physikalische und chemische Stabilität zeigen usw. Ein ebenso maßgebliches Problem gehört eher in den Grundlagenbereiche Materialien mit der erforderlichen einachsigen Anisotropie waren allgemein in gewisser Hinsicht nicht zufriedenstellend. So basierten beispielsweise bekannte ausgeführte Einrichtungen allgemein auf Orthoferriten der seltenen Erden. Obwohl es sehr wahrscheinlich ist, daß Orthoferrit-Bauelemente bzw. Einrichtungen mit einwandifven Domänen kommerziell verwertet werden, stellen gebrauehliehe Orthoferrit-Zusammensetzungen ein Hindernis für die Entwicklung von Ausführungsformen mit hohen Bit-Dichten dar.

Allgemein haben Orthoferrite derartige magnetische Eigenschaften, daß sie die Führung von einwandigen Domänen, die Kleiner au.s etwa 5 x ^0~ cm im Durchmesser sind, schwierig machen. Bei üblichen Ausführungen hat dies eine maxi-

4 male Bit-Dichte in der Größenordnung von 1,55 x 10 Bits pro Quadratzentimeter zur Folge„

Versuche, die Größe stabiler Domänen bei üblichen Betriebstemperaturen zu verringern, haben neue Probleme aufgeworfen;

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/NSPECTEO

so verringert ein Betrieb in der Nähe der magnetischen ReOrientierungstemperatur zwar die Größe der einwandigen Domänen, führt jedoch zu hoher Magnetostriktion, wodurch sowohl die Herstellung als auch der Betrieb kompliziert werden. Ein Betrieb in der Uahe der Reorientierungstemperatur bringt außerdem eine hohe Temperaturabhängigkeit der Domänen-Größe mit sich, was eine genaue Temperatursteuerung bei Einrichtungen bzw. Bauteilen erfordert, welche derartige Zusammensetzungen verwenden. Außerdem weisen die Materialien trotz der schwerpunktartigen Entwicklung von Züchtungsmethoden für Orthoferrite bisher keine ausreichende kristalline Perfektion auf, um eine wirtschaftliche Herstellung zu ermöglichen.

Eine zweite Material gruppe, die zur Verwendung in Einrichtungen der eingangs genannten Art einige Beachtung gefunden hat, ist die der hexagonalen Ferrite (ζ. B. der Magnetoplumbite). Die magnetischen Eigenschaften dieser Materialien sind so, daß sie sehr kleine einwandige Domänen zu führen erlauben. Tatsächlich liegt das Problem bei diesen Materialien gerade umgekehrt demjenigen bei Orthoferriten, und Modifi-

en
zierung/der Zusammensetzung waren häufig darauf abgestellt,

die Domänengröße zu erhöhen statt zu verringern.

Derzeit werden Magnetoplumbite nicht als sehr erfolgversprechende Materialien zur Führung magnetischer Domänen

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angesehen, und zwar vor allem wegen einer ihnen anhaftenden anderen Beschränkung, nämlich der geringen Beweglichkeit ο Dieser Ausdruck bezieht sich auf die Geschwindigkeit, mit welcher eine einwandige Domäne bei einem vorgegebenen Feld im Inneren des Materials bewegt werden kann. Da die Durchführung der verschiedenen Funktionen bei den meisten Einrichtungen von der Domänenbewegung abhängig ist, wird eine geringe Beweglichkeit als wesentliche Beschränkung angesehen.

Es wurden einige Versuche . unternommen, die Beweglichkeit in hexagonalen Ferriten zu verbessern, und einige dieser Versuche führten auch bis zu einem gewissen Grad zum Erfolg. Da es möglich ist, daß sich solche Materialien mit geeigneten Eigenschaften herausbilden, wird die Suche nach Materialgruppen fortgesetzt, die die oben genannten Beschränkungen nicht aufweisen.

Im Verlauf der letzten zehn Jahre hat sich ein beträchtliches Interesse für eine dritte Gruppe von magnetischen Materialien gezeigt. Diese Materialien, die das erste Mal 1956 (vgl. Compte Rendue, Band 242, Seite 382) angegeben wurden, sind isolierende Ferrimagnete der Granatstruktur. Die bekannteste Zusammensetzung ist Yttriumeisengranat, Y^Fe₅O₁₂, das der Einfachheit halber häufig als YIG bezeichnet wird. Es gibt viele Zusammensetzungsvariationenj

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2 11 ^{n 9} B 5

zu diesen gehört eine vollständige oder teilweise Substitution des Yttriums durch verschiedene der 4f seltenen Erden, eine teilweise Substitution des Eisens durch Aluminium oder Gallium und andere. Die Wachstumsverhalten dieser Materialien sind bekannt _f und es gibt viele Methoden zum Herstellen großer Kristalle hoher Perfektion.

Röntgenstrahluntersuchungen und Betrachtungen der Grundstruktur haben stets gezeigt, daß die magnetischen Granate magnetisch isotrop sind. Unter diesem Aspekt erbrachten Granate nicht die natürlichen Voraussetzungen für domänenführende Einrichtungen, welche einachsige magnetische Anisotropie erfordern. Jedoch haben mit Granat arbeitende Leute Bereiche magnetischer Anisotropie beobachtet. Allgemein wurde solcher Anisotropie wenig Beachtung geschenkt, und Litiieraturhinweise führten allgemein zu diesem Problem einen Druckspannungsmechanismus an. Bei einigen Gelegenheiten wurde die Anisotropie einer beispielsweise durch Schleifen und/oder Polieren hervorgerufenen Oberflächenspannung zugeordnet.

Die sich aus den Unzulänglichkeiten der Orthoferrite und der hexagonalen Ferrite ergebenden Hindernisse bzw, Beschränkungen gaben Anlaß zum Studium der magnetischen Granate zur Verwendung in magnetischen Einrichtungen bzw. Bauteilen. Zur Erzeugung der benötigten einachsigen magne-

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tischen Anisotropie wurden für diese Studien ausgewählte Granatproben absichtlich einer Beanspruchung bzw. Deformation unterzogen. Während viele der magnetischen Eigenschaften befriedigend erscheinen, wird die hohe Abhängigkeit von der Spannung von Schwierigkeiten sowohl bei der Herstellung als auch beim Betrieb begleitet. Die Benutzung von gespannten bzw. belasteten Materialien ist häufig durch eine Ungleichförmigkeit der induzierten Anisotropie, eine hohe Koerzitivkraft und auch durch Änderung solcher Eigenschaften mit der Zeit beschränkt.

Die oben angegebenen Probleme und Schwierigkeiten werden bei der magnetischen Einrichtung der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß dadurch überwunden, daß das Material Granatstruktur hat und daß wenigstens ein Kationenplatz im Material wenigstens zwei Ionen von entgegengesetztem magnetostriktiven Vorzeichen in einer einer Richtung leichter Magnetisierung entsprechenden kristallograph!sehen Richtung bzw. Achse aufweist.

Fig. 1 und 2 zeigen in schematischer Darstellung bzw. Draufsicht eine Ausführungsform einer magnetischen Einrichtung mit einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung.

Es wurde gefunden, daß die Verringerung der Spannungsabhängigkeit in Granatzusammensetzungen, insbesondere die

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Verringerung der Magnetostriktion durch die Verwendung gemischter Ionen an besonderen Plätzen zu Materialien führt, welche aufgrund ihrer Eigenschaften für die Verwendung in Einrichtungen mit einwandigen.Domänen besonders geeignet sind. Allgemein wird die Verringerung der Magnetostriktion in erster Linie auf den (111) Achsen bewirkt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Magnetostriktion auch auf den (100) Achsen verringert.

Da die Verringerung der Magnetostriktion, insbesondere in der leichten Hichtung, den Einfluß der Spannung auf die Wahl einer solchen Achse als der Richtung leichter Magnetisierung vermindert und da die erfindungsgemäß vorgesehenen Materialien tatsächlich die für Einrichtungen mit einwandigen Domänen wesentliche magnetische Anisotropie zeigen, führte diese Arbeit bereits zu erneutem Studium der mechanistischen Erläuterung für die Granat-Anisotropie. In einem besonderen Fall der bevorzugten Klasse nähert sich die Magnetostriktion sowohl auf den (111) Achsen als auch auf den (100) Achsen dem Wert 2SuIl, so daß eine Druckspannung auf die Induzierung magnetischer Anisotropie in einer (111) Richtung keinen Einfluß ausübt.

Es ist für die erfindungsgemäß vorgesehenen Materialien charakteristisch, daß sie nicht nur eine magnetische Anisotropie der früher auf einen Spnngsaeeani s zurückgeführten Art zeigen, sondern daß die Anisotropie auch

, :-.:,.. 109849/1624

gleichmäßig über große Gebiete der kristallinen Körper ist. Selbstverständlich hat die Peststellung, daß eine derartige Anisotropie in Materialien mit verringerter Magnetostriktion erhalten werden kann, den weiteren Vorteil, daß normalerweise mit Magnetostriktions-Effekten verbundene Herstellungsprobleme überwunden werden. Es wird z. B. beobachtet, daß ein Polieren bzw. Schleifen des Kristalls unter Verwendung einer Methode durchgeführt werden kann, die dafür bekannt ist, daß sie Oberflächenspannungen in den üblichen hochmagnetostriktiven Granaten einführt. Die erfindungsgemäßen Materialien können auf Substrate aufgeklebt oder z. B. durch Aufsprühen oder durch Abscheidung aus der Dampf-Phase auf den Substraten abgelagert werden, wobei die durch Spannungen in den magneto strikt iven Domänen-Materialien eingeführten erhöhten Koerzitivkräfte minimalisiert oder sogar eliminiert werden.

Die Magnetostriktion wird erfindungsgemäß dadurch verringert, daß ein Gemisch aus Zonen mit entgegengesetzten Vorzeichen der magnetostriktion Koeffizienten verwendet wird. In der allgemeinen Klasse bzw. Gruppe sind die betroffenen Koeffizienten in erster Linie oder alleia diejenigen auf den (111) Aefcsan« Bei der bevorzugten Klasse werden die Kationen-Gemische so gewählt ₇ daß m,<$ in deu (100) Eichtungen ebenfalls, .entgegen« £·3ΐ?ί§*β Yor&ttoaen haben. Die Erfindung beg*eht jedoch.?^¥; mir iri -itr &ue«

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Lehre, daß Materialien mit verringerter Magnetostriktion magnetische Anisotropie erhalten und tatsächlich häufig die erwünschten Eigenschaften für eine Verwendung in Einrichtungen mit einwandigen Domänen haben.

1. Figuren

Die Einrichtung gemäß den Figuren 1 und 2 ist ein Ausführungsbeispiel für die in I.E.E.E, transactions on Magnetics, Band MAG-5, Nr. 3, September 1969, Seiten 544 -553 beschriebenen, domänen-verwendenden Bausteine bzw. Einrichtungen, bei denen Schalt-* Speicher- und Logik-Funktionen von der Erzeugung und Übertragung eingeschlossener, allgemein, zylindrischer magnetischer Domänen mit einer gegen-

über der Magnetisierung des unmittelbar umgebenden Gebiets umgekehrten Polarisation abhängig sind· Das Interesse für derartige Einrichtungen bzw« Bausteine konzentriert sich zum groSeß !Eeifl auf die bei. ifcnen mögLielae sehr hohe Schreibef äens. ös wire erwartet _t daß ksmmsrsieile

Irosgam .mit- 1*5 s IG Με 1,5 χ ΙΟ⁶ BIt-SIätsen pro Quadratsur WmTtügm:™ B%eh®z. werdest Bifig*- 1. iiai 2 sv-elli; eiss etwas fer^

_{: ξ v} ORIGINAL - INSPECTED

Domänen bewegt werden können. Die Bewegung der Domänen ist erfindungsgemäß durch Muster aus magnetisch weichem Auflagematerial in Abhängigkeit von reorientierenden Feldern in der Platten- bzw. Schichtebene (in-plane fields) vorgeschrieben· Für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung wird vorausgesetzt, daß die Auflagen stab- und S-förmige Abschnitte sind und sich das reorientierende Feld in Uhrzeigerrichtung in der Ebene der Schicht bzw. Platte 11 gemäß Figuren 1 und 2 dreht. Die Reorientierungsfeidquelle ist in Fig. 1 als Block 12 dargestellt und kann zwei gegenseitig orthogonale Spulenpaare (nicht gezeigt) aufweisen, die in bekannter Weis« mit 90 Phasenverschiebung betrieben werden. Die Konfiguration der Auflag« ist in Fig. 1 nicht im einzelnen gezeigt. Statt Aessen sind nur geschlossene "Information·-" Schleifen gezeigt, um die Erläuterung des erfindungegemaa vorgesehenen grundsätzlichen Aufbaue zu erleichtern. Si· Aueführung «iri. nachfolgend beschrieben.

Fig. 1 seist eine Anzahl tob. kerisantalea. «eechloesenen Schleifen, 41· durch ·1η· vertikale *e»«klo«een« Sohleife in reckt· wet link· Spalten unterteilt «lad. Is ist swecksieh vorzustellen, dal Al· Information, z.B. Al·

, im j*A«r Seml«lf· Im Whrzeigereinn umlauf em, «»mm sieh elm FeI* im Aer Sekichtebeme im Ühr»ei4*ereinrn Armmt» Bleee atotrl···«·!*· »irA naokfolgen* neefa. ge-HiMr erläutert.

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Die gleichzeitige Bewegung von Domänen-Mistern in allen durch die in Fig. 1 gezeigten Schleifen dargestellten Registern wird durch das Feld synchronisiert. Zur genaueren Erläuterung wird eine in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 13 bezeichnete Stelle jedes Registers beobachtet. Jede Drehung des reorientierenden Feldes rückt ein nächstfolgendes Bit (Vorhandensein 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-Master belegt, und der vertikale Kanal ist unbelegt» Ein Binär-Wort umfaßt ein Domänen-Muster, welches gleichzeitig alle Stellen 13 in - ge nach der speziellen Anordnung des gegebenen-Falles - einer oder beiden Spalten belegt. Es ist ohne weiteres einzusehen« daß ein auf diese Weise repräsentiertes 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-Öbertragung eines ausgewählten Wortes zum verti-

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kalen 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 Pig. 1 durch die strichpunktiert gezeigte Schleife T gekennzeichnet, welche den Vertikal-Kanal umgibt» Die Operation führt zur Übertragung eines Domänenmusters von (einer oder) beiden Registerspalten in den vertikalen Kanal. Beispielsweise erfordert eine Übertragung eines 1000-Bit-Worts die Übertragung von beiden Spalten. Die Übertragung erfolgt unter der Kontrolle einer durch den Block 14 in Fig. 1 dargestellten Übertragungsschaltung. Die Übertragungsschaltung kann eine Schieberegister-Kennzeichnungsschaltung zum Steuern der Übertragung eines ausgewählten Wortes aus dem Speicher aufweisen. Das Schieberegister ist selbstverständlich ir&Material 11 gebildet.

Nach der Übertragung bewegt sich die Information im. vertikalen Kanal zu einer Eingabe-Ausgaue-Stellej. die durch den vertikalen Pfeil Al dargestellt wird und mit einer durch den Block 15 in Fig. 1 dargestellter. Eingabe-Aus.g^te-Schaltung verbunden ist. Diese Bewegung erfolgt in Abhängigkeit von aufeinanderfolgenden Umläufen des (m-plane) Feldes synchron mit der in üeii paralleler. Kanälen ±m Uhrzeigersinn, .verlaufenden Bewegung der Information* Eins Auslese- oder

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Einlese-Operation ist von Signalen äer- Steuerschaltung abhängig und wird weiter unten im einzelnen erläutert.

AfesslsluS sines Bin- ©a©r Ämslsesvsrgangs bildet in ähnliciier Weis© die Öbertrago&g ©issg BöHäaea-Äister-s zum horizontalen Kanal« Jeäe Operation erfordert den Wiederumlauf von Information in der vertikalen Schleife su cLsn Stallen 13, wo eine tfeertragaagsoper-atioiL das Kneter ¥on dem vertikalen Kanal in übt obaa feeselir-ieöeiiaa Weis© in geeignete li tale Saall© zurtiskbrdagt · M.Q& dafesi ist die Bewegung Iaforaa^ioa duroii das ratiös^caäs I^;©lä ^teta- synchröa, so cLa3 sael, der Bireäfiiln^iig eier tftes2i?i*agumg geeignete Leer stel2©3i zuT Mfn&hM® voa isforiEatisa ia des horizontalen Eaaälea gs a©a.Stellen 13 i%'i-ge 1) sur Verfügung steiiea_e

Sei³ liafacMieit iialber-iat ils Botjegimig voa'ssir eiaei? eis zigeB_f als M&äx© Sins ijewer-ttsteiT S^Eiae von ©iaeia korisestalsis. KansX in des vertikales Essai äsrgesetellt» Bei einer Bomäae_s was 2Χε eisio feiagre Sltll

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ORDINAL INSPECTED

größeren Abmessung eines Auflageabschnitts ausgerichtet ist, so induziert es in den Endteilen der Abschnitte Pole. Es sei angenommen, daß das PeId anfänglich in der durch den Pfeil H gemäß Fig. 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 Wiederholungsmuster der A uflage. Das heißt, die nächst benachbarten Bits liegen um ein Wiederholungemuster auf Abstand. Die gesamten Domänenmuster, welche aufeinanderfolgende Binär-Worte repräsentieren, bewegen eich demzufolge nacheinander zu den Stellen 13.

Die besondere Ausgangsstellung gemäß fig. 2 wurde gewählt, um eine Beschreibung normaler Domänen-Übertragung in Abhängigkeit von sieh in der Ebene drehenden Feldern zu vermeiden. Diese Betriebsweise ist i» einzelnen in der oben, genannten Vorver8ffentliohung beschrieben· Statt dessen werden die in fig. 1 von reckte aufeinanderfolgenden Stellungen einer Doaaae neben dem vertikalen Kanal vor einer Übertragungeoperation beschrieben. Sine Domäne an der in fig, 2 gezeigten Stelle 4 iftt für den Beginn des Übertragungsxyklus bereit·

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2. Erläuterungen zur Zusammensetzung

;; ι ι ·:·■ '} ο π:

Wie bereits ausgeführt wurde, stützt sich, die Erfindung zum großen Teil auf die Erkenntnis, daß die erforderliche einachsige Anisotropie in Granaten erhalten wird, die so ausgebildet sind, daß sie die Magnetostriktion in den (111) Richtungen generell und für eine bevorzugte Klasse bzw. Gruppe auch in den (100) Richtungen reduzieren. Für den Optimalfall ist es erwünscht, die Magnetostriktion auf einen Wert gleich oder sehr nahe an Null zu reduzieren. Dies verlangt jedoch eine Gleichgewichtsgenauigkeit, die in der Praxis nicht immer erreichbar ist. Da ein gewisser Vorteil aus jeder Reduzierung der Magnetostriktion in der (111) Richtung erwächst und Vorteile bezüglich des Betriebs und der Erleichterung der Herstellung bereits bei Verringerungen der Magnetostriktion von etwa 10 fo meßbar werden, verlangt die Erfindung einen Zusatz von Kationen, welche zu diesem Grad der Verringerung der Magnetostriktion in der (111) Richtung führen.

Die geringste bekannte (111) Magnetostriktion für eine einfache einzelne dodekaedrische Kationen-Zusammensetzung (Eu^Fe₁-O₁₂) ist 1,8 χ 10~ cm pro Zentimeter Länge. Von einem Gesichtspunkt aus führt eine bevorzugte Klasse bzw. Gruppe gemäß der Erfindung zu einer (111) Magnetostriktion, die nicht größer als 1,6 χ 10" ist. Dieser Maximalwert

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der (111) Magnetostriktion soll eine mögliche Ausführungsform der Erfindung definieren, welche die Tatsache unberücksichtigt läßt, daß andere Erwägungen manchmal andere dodekaedrische Kationen vorschreiben. Eine unter diesem Gesichtspunkt bevorzugte Ausführungsform erfordert eine (111) Magnetostriktion bei einem Wert, der nicht größer ^aIs 1 χ 10" ist, während eine noch bessere Ausführungsform eine (111) Magnetostriktion mit einem Maximalwert von 0,5 χ 10" verlangt.

Die (111) Magnetostriktion ist für die Erfindung am wesentlichsten, da sie die Richtung leichter Magnetisierung einschließt. Eine Verringerung der (100) Magnetostriktion führt jedoch zu weiteren Vorteilen. Tatsächlich werden bei Minimalisierung der Magnetostriktion längs dieser Achse ebenfalls alle Spannungs- bzw. Druckeffekte, die sich auf den Betrieb der einwandige Domänen verwendenden Einrichtung auswirken, bis zu einem solchen Grad vermieden, daß diese beiden Werte der Magnetostriktion vollständig ausgewogen sind. Während einfache Granat-Zusammensetzungen (compositions) verfügbar sind, in welchen die Magnetostriktion in der (100) Richtung bereits nahezu Null ist, führt eine der Reduzierung der (111) Magnetostriktion dienende Modifizierung unweigerlich zu Zusammensetzungen mit einer endlichen Magnetostriktion in der (100) Richtung. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Zusammensetzungen weiter modifiziert, so daß der zuletzt genannte Wert ebenfalls auf ein Minimum gebracht wird.

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ORIGINAL INSPECTED

r: ι ? ? s s

Glücklicherweise wurde ein beträchtlicher Teil der grundlegenden Arbeit auf das Vorzeichen und die Größe der sich oei Verwendung vieler Ionen im Granat-System ergebenden Magnetostriktion gerichtet. Die folgende Tabelle ist eine Berechnung von Daten aus dem Journal of the Physical Society of Japan, Band 22, Seite 1201 (1967). Diese Tabelle zeigt die magnetostriktiven Werte in dimensionslosen Einheiten, welche Zentimeter Änderung pro Zentimeter Länge für IUFe₁-O₁₂" Granat-Zusammensetzungen darstellen.

T a b e 1 1 e I

R-Ion (111) (100)

Sm Eu Gd Tb

-8,5	χ	ΙΟ"⁶	+21	χ	ΙΟ"⁶
+1,8	χ	ΙΟ"⁶	+21	χ	ΙΟ"⁶
-3,1	X	ΙΟ"⁶		Hull
+12,0	X	ΙΟ"⁶	-3	,3 χ	ΙΟ"⁶
-5,9	X	ΙΟ"⁶	-12	,5 χ	ίο"⁶
-4,0	X	10"⁶	-3	,4 χ	ίο"⁶
-4,9	X	ίο"⁶	+2	,0 χ	10~⁶
-5,2	X	ΙΟ"⁶	+ 1	,4 χ	ίο"⁶
-4,5	X	ίο"⁶	+ 1	,4 χ	ίο"⁶
-2,4	X	10"⁶	-1	,4 χ	10"⁶
-2,4	X	ΙΟ"⁶ -	-1	,4 χ	ίο"⁶

Ho Er Tm Yb Lu Y

In Tabelle I bezieht sich die Bezeichnung R-Ion auf das Kation, das den dodekaedrischen Granatplatz einnimmt, und in den Spalten 2 und 3 sind die magnetostriktiven '«Verte

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2 1 1 P ? 8 S

für die sich ergebenden Granate in den (111) bzw. (100) Richtungen angegeben,, Eine Verringerung der Magnetostriktion wird durch Verwendung einer Kombination aus Kationen mit entgegengesetzten Vorzeichen erreicht. Der sich ergebende Wert ist angenähert linear bezogen, so daß sich ein praktisch perfektes Gleichgewicht der (111) Magnetostriktion bei- Verwendung von Gadolinium und Europium im Verhältnis von 1,8 zu 3,1 (das umgekehrte Verhältnis der Größen der Magnetostriktionen) ergibt. Eine ähnliche Einstellung läßt sich unter Verwendung der aus der Tabelle I zur Verfügung stehenden Information zur Verringerung der Magnetostriktion in den (10ö) Richtungen durchführen, und eine einfache algebraische lösung kann zur gleichzeitigen Verringerung der beiden magne tost fiktiven Werte verwendet werden.

Die folgende Tafel stellt die R-Ionen-Kombinationen dar, die zum Erreichen minimaler Werte der Magnetostriktion in den beiden in Betracht stehenden Richtungen berechnet wurden.

Tabelle II

Lu (oder	Y)	0	Eu	2	Gd	Tb
—		0	,09	1	,325	0,585
1,34		0	,16	0	,00	0,50
1,85		,18	,50	0,47

Tabelle III zeigt fünf Zusammensetzungen mit den gemessenen magnetostriktiven Werten in beiden Richtungen. Die Granate

ifljäß Tabelle III wurden aus einer Schmelze gezüchtet, und die '"^r^^: 1 09849/ 1624

OFG INSPECTED

angegebenen Zusammensetzungen waren diejenigen, die in der Schmelze und nicht in den gezüchteten Kristallen vorhanden waren. Es ist bekannt, daß die Kristallzusammensetzung von derjenigen der Schmelze etwas abweicht. Trotzdem liegen diese beiden Zusammensetzungen ausreichend nahe beieinander, so daß die in Tabelle III aufgeführten Materialien für die erfindungsgemäße Lehre als exemplarisch angesehen werden können. In jedem Fall wurde eine Verringerung der Magnetostriktion um mehr als 10 °/o dadurch erreicht, daß wenigstens ein zusätzliches Ion mit einem magnetostriktiven Vorzeichen, das demjenigen eines anderen, den betreffenden Platz einnehmenden Ion entgegengesetzt ist, eingefügt wurde.

	T	12	a b e 1 1 e	λ	III	ΙΟ"⁶	⁷\ιι·	1)	ΙΟ"⁶
Zusammensetzung			-0,6		ΙΟ"⁶	-0,67	X	ΙΟ"⁶
Er₂TbAlPe₄O₁₂		09^Fe5^C	-0,4	(100)		-0,67	X	10-⁶
Er₉TbAl₁J₁Fe^ _O0	_cFe_c0,		X	ίο"⁶	-0,43	X	ΙΟ"⁶
_{Gd TlDo Ρβ} ο	>₁₂ -0,5	X	ίο"⁶	+0,10	X	10-⁶
Gd₂ ' j^'₅₈Eu_{0 (}	+0,3	__		-0,5	_x
Grdo Oc^b_n ^-Eu_n _Λ	X
_x

Die R-Ionen, Eu, Gd und Tb, bilden eine vorteilhafte Gruppierung, da sie etwa dieselben Verteilungskoeffizienten in einem wachsenden Kristall besitzen, so daß sie kombiniert

2 '! ί ·"■' ■ 3

werden können, um die Magnetostriktion (in beiden Richtungen) ohne merklichen Einfluß auf die Homogenität zu minimalisieren.

Die Tabellenangaben sind nicht vollständig; es können andere Substitutionen zur Verringerung der Magnetostriktion verwendet werden. So kann z. B. die Substitution von Mn , Go und Oo ⁺ an einem oder an beiden der tetraedrisehen und oktaedrischen Plätze zweckmäßig sein« Das (111) magnetostriktive Vorzeichen, das dem Mn zugeordnet ist, ist als positiv bekannt, Journal of Applied Physics, 38, Seiten 1226 - 1227 (1967).

Während Zusammensetzungen, die nur mit Blickrichtung auf die Verringerung der Magnetostriktion geschaffen wurden, zweckmäßig in Domänen-Einrichtungen einbezogen werden, können unter Berücksichtigung anderer Materialeigenschaften weitere Modifizierungen der Zusammensetzung eingeführt werden.

Zum Beispiel geht das magnetische Moment des Materials in die Größe der stabilen Domäne entsprechend der folgenden Gleichung ein:

1/2_M -2

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^r> ) ί, ■■ ' ρ, ς

B der Domänendurchmesser,

E die magnetische Austauschenergie

K die einachsige magnetokristalline Anisotropie

und M das Moment

ist, und zwar alle Größen in vereinbaren Einheiten. Solche Betrachtungen ermöglichen einen optimalen Bereich beispielsweise des magnetischen Moments. Für viele Zwecke liegt der Bereich geeigneter Momentenwerte zwischen 30 bis 500 Gauss. Da viele Zusammensetzungen, die auf eine Verringerung der Magnetostriktion abgestimmt sind, Momente haben können, die außerhalb dieses oder eines anderen geeigneten Bereichs liegen, kann es erwünscht sein, auch die Zusammensetzung so zu modifizieren, daß die Magnetisierung eingestellt werden kann, obwohl gleichzeitig ein verringerter Wert der Magnetostriktion aufrechterhalten bleibt. Für viele Zusammensetzungen wird das magnetische Moment durch Substitution nicht-magnetischer Ionen an den maßgeblichen tetraedrischen Eisenplätzen verringert. Repräsentative Substitutionen umfassen Gallium, Aluminium, Silizium und Germanium (allgemein belegen Ionen

mit Radien, die gleich oder kleiner als derjenige des dreisind,
wertigen Galliums (0,62 A)/vorzugsweise tetraedrische Plätze).

Ebenfalls im Hinblick auf die Einstellung der Magnetisierung können auch Substitutionen an dem dodekaedrischen Platz vorgenommen werden. Es ist bekannt, daß beispielsweise der Ein- bau von Gadolinium zu einer Verringerung des magnetischen

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2 1 1 :i'; p 5 Moments bei Zimmertemperatur führt.

Eine ins einzelnere gehende Erörterung gehört jedoch nicht in die vorliegende Beschreibung« Es kann hier in Bezug auf grundlegende .Erörterungen dieser Art auf Handbook of Microwave Ferrite Materials von Wilhelm H. Von Aulock, Academic Press, New York (1^65) hingewiesen werden.

Ein weiterer für den Aufbau von Domänen-Einrichtungen maßgeblicher Parameter ist als Domänen-Beweglichkeit definiert. Während die Ausbreitungsgeschwindigkeit von magnetischen bzw. einwandigen Domänen durch einfache Zusammensetzungen, wie Yttrium oder Gadolinium Eisen-Granate für die meisten Anweii^ungsfälle ausreichend hoch ist, führt die erfindungsgemäß vorgesehene Modifizierung unglücklicherweise häufig zu einer Verminderung dieser Beweglichkeit. OdwoIlL es Einrichtungen gibt, für welche diese verminderte Beweglichkeit ausreichend ist, ist es häufig erwünscht, das Material weiter zu modifizieren, um diesen nachteiligen Effekt zu minimalisieren.

Es wurde festgestellt, daß die Verminderung der Beweglichkeit durch die Verwendung von Substitutionen mit Kationen hervorgerufen wird, welche einen Bahndrehimpuls haben. Jede Modifizierung gemäß der tabellarischen Aufstellung weist ein derartiges Ion auf. Erfreulicherweise kann diese Verringerung der Beweglichkeit durch weitere Substitutionen kompensiert

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werden, ζ. B. durch Substitutionen von Ionen mit Bahndrehimpulsen, welche das umgebende Kristallfeld in einen ungeordneten Zustand überführen. Eine Lösungsmöglichkeit besteht unter Bezugnahme auf Tabelle I in der Verwendung von 3 oder mehr Ionen, die noch angenähert algebraisch im Gleichgewichtszustand sind, wodurch sich eine Kompensation der Magnetostriktion wiederum in erster Linie in den (111) Richtungen ergibt. Andere Wege können eingeschlagen werden, und es konnte festgestellt werden, daß jede Modifizierung, welche zu einer weiteren Variation der einen vorgegebenen Platz einnehmenden Ionen führt, ein Anwachsen der Domänen-Beweglichkeit bei Zusammensetzungen hervorruft, die ein Ion mit einem Bahndrehimpuls enthalten.

3. Züchtung

Die erfindungsgemäße Konzeption ist im wesentlichen vom Züchtungs- bzw. Wachstumsprozeß unabhängig, abgesehen davon, daß die Züchtung bei Temperaturen unter etwa 1200° G wesentlich ist, um eine Ordnung zu gewährleisten, welche einer magnetisch einachsigen Ausrichtung dienlich ist_o (Dies schließt nicht eine Erzeugung bei höherer Temperatur in einer mit fallenden Temperaturen arbeitenden Technik aus, da eine Angleichung an das auf niedrigerer Temperatur befindliche Material erfolgt.) Geeignete kristalline Materialien können aus der Schmelze entweder spontan oder auf einem Zuchtkeim (vgl. z. B. Journal of Physics, Ghem Solids Suppl. Crystal Growth, H. S. Peiser (1967) Seiten 441-444

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und Journal of Applied Physics, Suppl. 33, Seite 1362 (1962)) oder hydrothermisch (vgl. Journal of American Ceramics Society, 45, 51 (1962)) durch Abscheiden aus der Dampf-Phase, Zerstäuben, thermisches Ablagern -oder durch Zonen-Gradienten-Übertragung gezüchtet werden (vgl_o z. Bo Journal of Applied Physics, 39, Seite 4700 (1968), Applied Physics Letters 10, Seiten 190 bis 194 (1967), Crystal Growth von P. C. Frank, J. B. Mullin und H. S. Peiser, 443 (1969)).

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Claims

2 Ί !

Pat ent ansprüche

π λ Magnetische Einrichtung mit einem Körper aus ferrimagnetischem Material, das einachsig magnetisch anisotrop sein und lokale, eingeschlossene Bereiche mit einer derjenigen des Umgebungsmaterials entgegengesetzten Polarisation führen kann, und mit einer Einrichtung zum Einstel-. len der entgegengesetzt polarisierten, lokalen eingeschlossenen Bereiche,

dadurch. gekennzeichnet, daß das Material Granat-Struktur hat und daß wenigstens ein Kationenplatz im Material wenigstens zwei Ionen von entgegengesetztem magnetostriktiven Vorzeichen in einer einerRichtung leichter Magnetisierung entsprechenden kristallographischen Richtung bzw. Achse aufweist_o
2. Magnetische Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch f gekennzeichnet, daß die Magnetostriktion in

den (111) Richtungen auf eine Größe von wenigstens 10 fo unterhalb derjenigen des nur ein derartiges Ion enthaltenden Granat-Materials verringert ist.
3 ο Magnetische Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die (111) Magnetostriktion auf einen Wert von angenähert 1,6 χ 10 cm Änderung pro Zentimeter Länge oder weniger verringert ist.

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4. Magnetische Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 "bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die (111) Magnetostriktion auf einen Wert von angenähert 1 χ 10" cm Änderung pro Zentimeter Länge oder weniger verringert ist.
5. Magnetische Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 ,bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die (111) Magnetostriktion auf einen Wert von angenähert 0,5 χ 10" cm Änderung pro Zentimeter Länge oder weniger verringert ist.
6. Magnetische Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Einzelionen in solchen Mengen eingelagert werden, daß die Magnetostriktion in der (100) Richtung verringert wird.
7. Magnetische Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die magneto strikt iven Werte in den (111) und (100) Richtungen im wesentlichen gleich Null sind.
8. Magnetische Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die dodekaedrischen Plätze von einer Kombination aus Ionen mit wenigstens zwei Ionen verschiedenen Vorzeichens besetzt sind, die aus der aus Sm(-), Eu(+), Gd(-), Tb(+), Dy(-), Ho(-), Er(-), Tm(-), Yb(-), Lu(-) und Y(-) bestehenden Gruppe ausgewählt sind, wobei die in Klammern gesetzten Vorzeichen

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in den Formelζeichen die magnetostriktiven Vorzeichen der vorhergehenden Ionen in den (111) Richtungen sind.
9. Magnetische Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die dodekaedrischen Plätze von wenigstens drei Ionen dieser Art zur Erhöhung des ungeordneten Zustandes in der Kristallfeldumgebung besetzt sind.
1Oo Magnetische Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die tetraedrischen Plätze zur Verringerung des magnetischen Moments teilweise von wenigstens einem Ion solcher Atome besetzt sind, die aus der aus Gallium, Aluminium, Silizium, Germanium und Vanadium bestehenden Gruppe ausgewählt sind.
11. Magnetische Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Moment im Bereich von etwa 30 bis etwa 500 Gauss bei Zimmertemperatur liegt.

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