DE2118285B2

DE2118285B2 - Magnetische Schaltung

Info

Publication number: DE2118285B2
Application number: DE2118285A
Authority: DE
Inventors: Andrew Henry Chatham Bobeck; Richard Curry New Providence Sherwood; Le Grand Gerard Van Morris Township Uitert
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1970-04-20
Filing date: 1971-04-15
Publication date: 1973-09-27
Also published as: NL7105224A; US3665427A; FR2089882A5; CH566618A5; DE2118285C3; GB1347901A; NL156532B; BE765851A; JPS5132318B1; DE2118285A1; CA943331A; SE376103B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine magnetische Schaltung mit einem F"rper aus einem Material, das einachsig magnetische Anisotropie und lokale, eingeschlossene Bereiche mit einer derjenigen des Umgebungsmaterials entgegengesetzten Polarisation aufweist, ferner mit einer die Lage der entgegengesetzt polarisierten, lokalen eingeschlossenen Bereiche beeinflussenden, aus diesen eimvsndigen Domänen bildenden Einrichtung und einer Übertragungseinrichtung, welche die Domänen durch wenigstens einen S ferrimagnetischen Teil des Körpers überträgt. Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit einer Schaltung, die einwandige Domänen zu übertragen vermag. Als einwandige Domäne soll hier ein gegenüber der Umgebungsmagnetisierung umgekehrt polarisierter

ίο magnetischer Bezirk verstanden sein, der durch eine einzige in sich geschlossene Domänenwand begrenzt ist. Einwandige Domänen aufweisende Schaltungen können eine Vielzahl von Funktionen 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 aufweisende Schaltungen bekannt

ao sind. Solche Schaltungen, die zum Beispiel in IEEE Transactions, Mag. 5 (1%91. S. 544 bis 553, beschrieben sind, haben eine allgemein planare Ausbildung und bestehen aus Stoffen, welche im wesentlichen senkrecht zur Ebene des Körpers stehende Richtun-

S5 gen leichter Magnetisierung aufweisen. Magnetische Eigenschaften, z. B. Magnetisierung, Anisotropie. Koerzitivkraft und Beweglichkeit sind so gewählt, daß die Schaltung mit einer Magnetisierung in einer Richtung aus der"Ebene heraus magnetisch gesättigt wird

und daß kleine eingeschlossene Polarisationsbereiche, die zur allgemeinen Polarisationsrichtung entgegengesetzt ausgerichtet sind, übertragen werden können. Solche eingeschlossenen Bereiche, welche eine allgemein zylindrische Konfiguration besitzen, stellen

Speicher-Bits dar. Das Interesse an Schaltungen bzw. Bauelementen dieser Art basiert zum großen Teil auf der hohen Bit-Dichte. Man rechnet mit Bit-Dichten bis zu 1,55 · 10⁴ Bits oder mehr pro Quadratzentimeter des Plättchens. Bit-Dichten sind ihrerseits abhä.igig von der Fähigkeit des Materials, eingegrenzte Bereiche genügend kleiner Abmessungen zu übertragen. Bei einer besonderen Ausführungsform, die beispielsweise einen 10^fi-Bit-Speicher darstellt, kommen einwandige Domänen in der Größenordnung von 8 · 10⁴ cm Durchmesser in Betracht. Ein 10">-Bit-Speicher kann auf dreifach größeren stabilen Domänen basieren, und ein 10⁷-Bit-Speicher erfordert stabile einwandige Domänen, deren Durchmesser ein Drittel desjenigen bei 1 C-Bit-Speicher ist.

Bis heute bildete die Materialbeschränkung eines der bedeutenderen Hindernisse an einer kommerziellen Realisierung solcher Schaltungen bzw. Bauelemente. Das erste Problem 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 Grundlagenbereich. Materialien mit der erforderlichen einachsigen Anisotropie waren allgemein in gewisser Hinsicht nicht zufriedenstellend. So basierten beispielsweise bekannte ausgeführte Schaltungen allgemein auf Orthoferriten der seltenen Erden. Obwohl es sehr wahrscheinlich ist, daß Orthoferrit-Bauelemente bzw. Schaltungen mit einwandigen Domänen kommerziell verwertet werden, stellen gebräuchliche Orthoferrit-Zusammensetzungen ein Hindernis für die Entwicklung von Ausführungsformen mit hohen Bit-Dichten dar.

If

Ailaemein haben Orthoferrite derartige magneti- ^Eigenschaften, daß sie die Übertragung von eindi Domänen, die kleiner als etwa 5 · 10"» cm

halten dieser Materialien sind bekannt, und es gi t viele Methoden zum Herstellen großer kristalle non

Perfektion.

Röntgenstrahluntersuchungen

und

„andioen

Durchmesser sind, schwierig machen. Bei üblichen Röntgenstrahlg

f «führungen hat dies eine maximale Bit-Dichte in 5 der Grundstruktur haben stets gezeigt t ßdnung von 155 10* Bits pro Quadrat h t

°en

der Grundstruktur haben stets gezeig, ^

gnetischen Granate magnetisch isotrop_ sina υ diesem Aspekt erbrachten Granate nicht die natur liehen Voraussetzungen für doiaanenaufweisende p Schaltungen, welche einachsige magnetische Amsoi

SeProbeme aufgeworfen; so verringert ein Betrieb i. pie erfordern. Jedoch haben die Eigenschaften son ? Ll Nähe der magnetischen Reorientierungslcmpe- Granat untersuchende Wissenschaftler Bereiche ma ^m ^Ϊ die Größe der einwandigen Domänen gnetischer Anisotropie beobachtet Allgemein*

lh Aitopie wenig Beachtu d

f «führu

tr Größenordnung von 1,55 · 10* Bits pro Quadrat

ttaeter zur Folge.
^Ze VeSe die Größe stabiler Domänen Ui üb-

lΓ Betriebstemperaturen zu verringern, haben frf

gnetischer Aniop

solcher Anisotropie wenig Beachtung ^

erstellung als auch der Betrieb kompli Literaturhinweise führten in der Regel zu Ein Betrieb in der Nähe der Reorien- i₅ biem einen Druckspannungsmechanismus an

Glhi de ^d* A™⁰⁵^*

die Größe der einwandigen Domänen, doch zu hoher Magnetostriktion, wodurch die Herstellung als auch der Betrieb kompliwerden i d Näh d Ri

und rr Be

Γ werde p

!«temperatur bringt außerdem eine hohe Tem- einigen Gelegenheiten wurde ^

* SK°keit der Domänen-Größe mit sich, beispielsweise durch Schleifen und/oder Poliere

Ρ"³ eine oeSu'e Temperatursteuerung bei Schaltun- vorgerufenen Oberflächenspannung zugeordnet ^W* Blt rfordert welche derartige Die sich aus den Unzu Ι^«*^«!*

her

p
Bauelementen erfordert, welche derartige g
Die sich aus den Unzu Ι

Anlaß

Mv Bauelementen erfordert, welche derartige Die sich aus ^

fijTrnensetzungen verwenden. Außerdem weisen » ferrite und der hexagona en Ferrite

?> Seriellen trotz der schwerpunktartigen Ent- dernisse bzw. Beschränkungen gaben

ftii "Sn Züchtungsmethoden für Orthoferrite Studium der magnetischen

r keine ausreichende kristalline Perfektion auf, in magnetischen Schaltungen

te η Itschaftliche Herstellung zu endlichen. Erzeugung der benötigten ^^^

^Uin _E-ne weite Materialgruppe, die zur Verwendung *5 Anisotropie wurden. fui_ diese » - _bzNV

_in Schaltunsen der eingangs genannten Art einige Granat_rroben absichtlich emerBean prucnu

Sachtuno gefunden hat. ist die der hexagonalcn Fer- Deformation unterzogen. * ahrend v.eleae

demienigen bei Onhoferri.en. und hohe Ko-

aietischer Domänen angesehen, und zwar vor S n einer ihnen anhaftenden anderen Bc-

Uhk D gangs

een einer ihnen anhaftenden SSSnkunV nämlich der geringe" BewegUchken D,e_ser Ausdruck bezieht sich auf die Geschwindigkeit, mit welcher eine einwandige Domäne bei einem vor-Sebenen Feld im Inneren des Materials bewegt werfi kann. Da die Durchführung der verschiedenen Funktionen bei den meisten Scha tungen von der Do-Sncnbewegung abhängig ist, wird eine geringe Bei als wesentliche Beschrankung angesehen.

die

Ejscngrm t ^sU »

Platzt .on '°^ⁿ _b - _sind

schiedenen Vcrzeichen ^s
aus de aus Sm -). EU( h '<
D (-VJHo(- ).EK
(-) ^«hendcn

Seltene Erdendodekaedrischen _{loncn ver}.

_daB diese Ionen

_γ __{) und}

_Vorz ^e _eichen die magnctoi d

_Vorzeichen g

vorstehenden Ionen in den _{k M} ,_lostriktion

pen fortgesetzt, die die obengenannten 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. Comptes Rendiis, Band 242, S. 382) angegeben wurden, sind isolierende Ferrimagnetc der Granatstruktur. Die bekannteste Zusammensetzung ist Yttriumeisengranat. Y_nFe-O₁.,. das der Einfachheit halber häufig als YIG bezeichnet wird. Es gibt viele Zusammensetzunssvariationcn: zu diesen gehört eine vollständige oder teilweise Substitution des Yttriums durch verschiedene der Seltenen Erden, eine teilweise Substitution des Eisens durch Aluminium oder Gallium und andere. Die Wachsuimsvereicnraugige Patentanmeldung

P 21 18 264.9 befaßt sirh in einigen Ausführungsformen mit gleichen magnetischen Granatmaterialien. Es wird dort die Substitution bestimmter Ionen an dodekaedrischen Plätzen angewendet. Ein Unterschied zur vorliegenden Erfindung besteht darin, daß 6c der Grad der einachsigen Magnetisierung verbessert wird durch die Auswahl von Kristallkörpern mit bestimmten Flächen. Diese Methode ist außerdem für andere Materialien als für die niedrig magnetostriktiven Granate dieser Erfindung anwendbar. Fig. 1 und 2 zeigen in schematischer Darstellung bzw. Draufsicht eine Ausführungsform einer magnetischen Schaltung mit einer crfindungsgcmäßen Zusammensetzung. Es wurde gefunden, daß die Ver-

ringerung der Spannungsabhängigkeit in Granatzusammensetzungen, insbesondere die Verringerung der Magnetostriktion durch die Verwendung gemischter Ionen an besonderen Plätzen zu Materialien führt, welche auf Grund ihrer Eigenschaften für die Ver-Wendung in Schaltungen mit einwandigen Domänen besonders geeignet sind. Allgemein wird die Verringerung der Magnetostriktion in erster Linie in der (lll)-Richtung bewirkt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Magnetostriktion auch in der (lOO)-Richtung verringert.

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

Es ist für die erfindungsgemäß vorgesehenen Materialien charakteristisch, daß sie nicht nur eine magnetische Anisotropie der früher auf einen Spannungsmechanismus zurückgeführten Art zeigen, sondem daß die Anisotropie auch über gToße Gebiete der kristallinen Körper gleichmäßig ist. Selbstverständlich hat die Feststellung, 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 magnetostriktiven Domänen-Materialien eingeführten erhöhten Koerzitivkräfte minimalisiert oder sogar eliminiert werden.

Die Magnetostriktion wird erfindungsgemäß dadurch verringert, daß ein Gemisch aus Ionen mit entgegengesetzten Vorzeichen der magnetostriktiven Koeffizienten verwendet wird. In der allgemeinen Klasse bzw. Gruppe sind die betroffenen Koeffizienten in erster Linie oder allein diejenigen in der (lll)-Richtung. Bei der bevorzugten Klasse werden die Kationen-Gemische so gewählt daß sie in den (lOO)-Richtungen ebenfalls entgegengesetzte Vorzeichen haben. Die Erfindung besteht jedoch nicht nur in der Auswahl solcher Kationen-Kombinationen, sondern auch in der 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 Schaltung gemäß den F i g. 1 und 2 ist ein Ausführungsbeispiel für die in I. E. E. E. Transactions on Magnetics, Band MAG-5, Nr. 3, September 1969, S. 544 bis 553, beschrieben, domänenverwendenden Bauelemente bzw. Schaltungen, bei denen Schalt-, Speicher- und Logik-Funktionen von der Erzeugung und Übertragung eingeschlossen, allgemein zylindrischer magnetischer Domänen mit einer gegenüber der Magnetisierung des unmittelbar umgebenden Gebiets umgekehrten Polarisation abhängig sind. Das Interesse für derartige Schaltungen bzw. Bauelemente konzentriert sich zum großen Teil auf die bei ihnen mögliche sehr hohe Schreibdichte, denn es wird erwartet, daß kommerzielle Schaltungen mit 1,5 · 10⁴ bis 1,5 · 10^e Bit-Plätzen pro Quadratzentimeter zur Verfügung stehen werden. Die Schaltung gemäß den F i g. 1 und 2 stellt eine etwas fortgeschrittene Stufe der Entwicklung von einwandigen Domänen verwendenden Einrichtungen dar und enthält einige Details, welche in vor kurzem ausgeführten Schaltungen verwendet wurden.

F i g. 1 zeigt eine Anordnung 10 mit einer Schicht oder einer Platte 11 aus einem Material, in welchem einwandige 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 T-förmige Abschnitte sind und sich das reorientierende Feld in Uhrzeigerrichtung in der Ebene der Schicht bzw. Platte 11 gemäß F i g. 1 und 2 dreht. Die Reorientierungsfeldquelle ist in F i g. 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 »Informationse-Schleifen gezeigt, um die Erläuterung des erfindungsgemäß vorgesehenen grundsätzlichen Aufbaus zu erleichtern. Die Ausführung wird nachfolgend beschrieben.

F i g. 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 umlaufen, 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 F i g. 1 gezeigten Schleifen dargestellten Registern wird durch das Feld synchronisiert. Zur genaueren Erläuterung wird eine in F i g. 1 mit dem Bezugszeichen 13 bezeichnete Stelle jede; Registers beobachtet. Jede Drehung des reorientierenden Feldes rückt ein nächstfolgendes Bit (Vor handensein oder Fehlen einer Domäne) auf dies« Stelle in jedem Register vor. Auch ist die Bewegunj der Bits im vertikalen Kanal mit dieser Bewegunj synchronisiert.

Bei normalem Betrieb sind die horizontalen Kanal durch Domänen-Muster belegt, und der vertikal Kanal ist unbelegt. Ein Binär-Wort umfaßt ein Do mänen-Muster, welches gleichzeitig alle Stellen 13 i — je nach der speziellen Anordnung des gegebene Falles — einer oder beiden Spalten belegt Es ii

ohne weiteres einzusehen, daß ein auf diese Weise repräsentiertes Binäi-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 F i g. 1 durch die strichpunktien 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 lOOU-Bit-Worts die Übertragung von beiden Spalten. Die Übertragung erfolgt unter der Kontrolle einer durch den Block 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 Umläufen des (in-plane) Feldes synchron mit der in den parallelen Kanälen im Uhrzeigersinn verlaufenden Bewegung der Information. Eine Auslese- oder Einlese-Operation ist von Signalen der Steuerschaltung 16 abhängig und wird weiter unten im einzelnen erläutert.

Abschluß eines Ein- oder Auslesevorgangs 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 (F i g. 1) zur Verfugung 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 binäre Null bewertet wird, ist die Operation für alle Kanäle die gleiche. F i g. 2 zeigt einen Abschnitt eines Auflagemusters, 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 Auflageabschnitts 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 F i g. 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 Wiederhoiungsmuster der Auflage. Das heißt, die nächstbenachbarten Bits liegen um ein Wiederholungsmuster auf Abstand. Die gesamten Domänenmuster, welche 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 Stel-

a5 lungen einer Domäne neben dem vertikalen Kanal vor einer Übertragungsoperation beschrieben. Eine Domäne an der in F i g. 2 gezeigten Stelle 4 ist für den Beginn des Übertragungszyklus bereit.

2. Erläuterungen zur Zusammensetzung

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 (lll)-Richtungen generell und für eine bevorzugte Klasse bzw. Gruppe auch in den (lOO)-Richtungen reduzieren. Für den Optimalfall ist es erwünscht, die Magnetostriktion auf einen Wert gleich oder sehr nahe an Null zu reduzieren.

E>ies verlangt jedoch eine Gleichgewichtsgenauigkeit, die in der Praxis nicht immer erreichbar ist. Da ein gewisser Vorteil aus jeder Reduzierung der Magnetostriktion in der (1 ll)-Richtung erwächst und Vorteile bezüglich des Betriebs und der Erleichterung der Herstellung bereits bei Verringerungen der Magnetostriktion von etwa 10°,ο 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 (11 ^-Magnetostriktion für eine einfache einzelne dodekaedrische Kationen-Zusammensetzung (Eu₃Fe₅O₁₂) ist 1,8· 10~⁶ cm prc Zentimeter Länge. Von einem Gesichtspunkt au; führt eine bevorzugte Klasse bzw. Gruppe gemäß de:

Erfindung zu einer (lll)-Magnetostriktion, die nich größer als 1,6-10-· ist. Dieser Maximalwert de (111 ^Magnetostriktion soll eine mögliche Ausfüh rungsform der Erfindung definieren, welche die Tat sache unberücksichtigt läßt, daß andere Erwägunge manchmal andere dodekaedrische Kationen voi schreiben. Eine unter diesem Gesichtspunkt bevoi zugte Ausführungsform erfordert eine (lllVMagnc tostriktion bei einem Wert, der nicht größer a' 1 · H)-β ist, während eine noch bessere Ausführung:

form eine (111 ^Magnetostriktion mit einem Max malwert von 0.5 · 1O^-0 verlangt.

Die (111 ^Magnetostriktion ist für die Erfindur am wesentlichsten, da sie die Richtung leichter Mi

309539/4(

netisierung einschließt. Eine Verringerung der (10O)-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 Schaltung 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 (lOO)-Richtung bereits nahezu Null ist, führt eine der Reduzierung der (11 ^-Magnetostriktion dienende Modifizierung unweigerlich zu Zusammensetzungen mit einer endlichen Magnetostriktion in der (lOO)-Richtung. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Zusammensetzungen weiter modifiziert, so daß der zuletzt genannte Wert ebenfalls auf ein Minimum gebracht wird.

Glücklicherweise wurde ein beträchtlicher Teil der grundlegenden Arbeit auf das Vorzeichen und die Größe der sich bei 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, Bd. 22, S. 1201 (1967). Diese Tabelle zeigt die magnetostriktiven Werte in dimensionslosen Einheiten, welche Zentimeter Änderung pro Zentimeter Länge für R₃Fe₅O₁₂-Granat-Zusammensetzungcn darstellen.

Tabelle I

Magnetostriktion in den beiden in Betracht stehende! Richtungen berechnet wurden.

Tabelle II

Lu (oder Y)	Eu	Gd	Tb
1,34 1,85	0,09 0,16 0,18	2,325 1,00 0,50	0,585 0,50 0.47

30

R-Ion	Sm	(111)	(100)
Eu	-8,5-10-6 + 1,8-10-6 -3,1-10-6 + 12,0-10-6 -5,9-10-6 -4,0-10-6 -4,9-10-6 -5,2-10-6 -4,5-10-6 -2,4-10-6 -2,4- ΙΟ"⁶	+ 21-10-6 + 21 · 10-« Null -3,3· ΙΟ-⁶ -12,5-10-'· -3,4-10-6 + 2,0 · 10-^£ + 1.4- 10-6 + 1,4- ΙΟ-⁶ -1,4-10-6 — 1,4· 10-6
Gd
Tb
Dy
Ho
Er
Tm
Yb
Lu .

Tabelle III zeigt fünf Zusammensetzungen mit dei gemessenen magnetostriktiven Werten in beider Richtungen. Die Granate gemäß Tabelle III wurdei aus einer Schmelze gezüchtet, und die angegebener Zusammensetzungen waren diejenigen, die in dei 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 ",Ό dadurch erreicht, daß wenigstens ein zusätzliches Ion mil einem magnetostriktiven Vorzeichen, das demjenigen eines anderen, den betreffenden Platz einnehmenden Ion entgegengesetzt ist, eingefügt wurde.

Tabelle III

Zusammensetzung

Er₉TbAlFe₄O₁,
Er₂TbAl₁₁Fe₃^O₁,

^Gd ₂.3₃Tb₀,₅₈Eu_0i09Fe₅O₁₂

GdI

40 -0,6
-0,4

-0,5
+0,3

10-⁶

10-6

10-6
10-6

-0,67-10"« -0,67-10"« -0,43-10"« + 0,10 ■ 10-« -0,5-10-«

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 Werte für die sich ergebenden Granate in den (Hl)- bzw. (lOO)-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 (Hl)-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 (lOO)-Richtungen durchführen, und eine einfache algebraische Lösung kann zur gleichzeitigen Verringerung der beiden magnetostriktiven Werte verwendet werden.

Die folgende Tafel stellt die R-Ionen-Kombinationen dar, die zum Erreichen minimaler Werte der 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 werden körnen um die Ma-

« gnetostriktion (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.

dae Substitution von Mn»+, Co=»+ und Co²⁺ an einem oder an beiden der tetraedrischen und oktaedrischen Platze zweckmäßig sein. Das (lll)-magnetostriktive Vorzeichen, das dem Mn3+ zugeordnet ist, ist als

£°ι'.ί~ l>^ekannt' Journal of Applied Physics, 38, S. 1226 bis 1227 (1967).

Während Zusammensetzungen, die nur mit Blickrichtung auf die Verringerung der Magnetostriktion geschaffen wurden, zweckmäßig in Domänen-Einrichtungen einbezogen werden, können unter Berücksicntigung anderer Materialeigenschaften weitere werden ^erUngen ^ ^{Zusammensetzun}g eingeführt

Zum Beispiel geht das magnetische Moment des

fic i> Tf^S ? ^{die Größe der sta}bilen Domäne entsprechend der folgenden Gleichung ehr

wobei

B der Domänendurchmesser,
E die magnetische Austauschenergie
K„ die einachsige magnetokristalline Anisotropie und M_s das Moment

ist, und zwar alle Größen in vereinbarten Einheiten. Solche Betrachtungen ermöglichen einen optimalen Bereich beispielsweise des magnetischen Moments. Für viele Zwecke liegt der Bereich geeigneter Momentenwerte zwischen 30 und 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 nichtmagnetischer 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 dreiwertigen Galliums (0,62 A) sind, 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 Einbau von Gadolinium zu einer Verringerung des magnetischen 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 Maierials von Wilhelm H. Von Aulock, Academic Press. New York (1965) 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 Anwendungsfälle ausreichend hoch ist, führt die erfindungsgemäß vorgesehene Modifizierung unglücklicherweise häufig zu einer Verminderung dieser Beweglichkeit Obwohl es Schaltungen gibt, für welche diese verminderte Beweglichkeit ausreichend ist, ist es häufig erwünscht, das Material weiter zu modifizieren, um diesen nachteiligen Effekt zu mini· malisieren.

Es wurde festgestellt, daß die Verminderung dej Beweglichkeit durch die Verwendung von Substitu· tionen mit Kationen hervorgerufen wird, weicht einen Bahndrehimpuls haben. Jede Modifizierung gemäß der tabellarischen Aufstellung weist ein derartiges lon auf. Erfreulicherweise kann diese Verringerung der Beweglichkeit durch weitere Substitutioner

ίο kompensiert werden, z. B. durch Substitutionen vor Ionen mit Bahndrehimpulsen, weiche 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 (lll)-Richtungen ergibt. Andere Wege können eingeschlagen werden, und es konnte

ao 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

as enthalten.

3. Züchtung

Die erfindungsgemäße Konzeption ist im wesentlichen 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 schließ! nicht eine Erzeugung bei höherer Temperatur in einei niit 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 (vergleiche

z. B. Journal of Physics, Chem. Solids Suppl. Crystal Growth, H. S. Peiser (1967) S. 441 bis 444, und Journal of Applied Physics, Suppl. 33, S. 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 (vergleiche z. B. Journal of Applied Physics, 39, S. 4700 (1968), Applied Physics Letters 10, S. 190 bis 194 (1967), Crystal Growth von F. C. Frank, J.B. Mullin und H. S. Peiser, 443 (1969)).

Hierzu 1 Blatt Zeichnuneen

Claims

Patentansprüche:

1. Magnetische Schaltung mit einem Körper aus einem Material, das einachsige magnetische Anisotropie und lokale, eingeschlossene Bereiche mit einer derjenigen des Umgebungsmaterials entgegengesetzten Polarisation aufweist, ferner mit einer die Lage der entgegengesetzt polarisierten, lokalen eingeschlossenen Bereiche beeinflussenden, aus diesen einwandige Domänen bildenden Einrichtung und einer Übertragungseinrichtung, welche die Domänen durch wenigstens einen ferrimagnetischen Teil des Körpers überträgt, dadurch gekennzeichnet, daß das Materia! ein Seltene Erden-Eisengranat ist, in welchem die dodekaedrischen Plätze von Ionen mit wenigstens zwei Ionen von verschiedenen Vorzeichen besetzt sind, daß diese Ionen aus der aus Sm( —), Eu( 4-), Ru( -). Gd( -), Tb( -), Dy( -). Ho( -). Er( -), Tm( -), Yb( ), Lu( ) und Y( ) bestehenden Gruppe ausgewählt sind, wobei die in Klammern gesetzten Vorzeichen die magnetostriktiven Vorzeichen der vorstehenden Ionen in den (111 Richtungen sind, und daß die Magnetostriktion des Materials in der 111 _rRichtung eine um wenigstens zehn Prozent geringere sfärke als diejenige eines nur ein solches Ion enthaltenden Granatmaterials hat.

2. Magnetische Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die 111}-Magnetostriktion des Materials einen Maximalwert von angenähert 1.6-10"⁶cm Änderung pro Zentimeter Länge hat.

3. Magnetische Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die (111 Magnetostriktion des Materials einen Maximalwert von angenähert 1 · 10-" cm Änderung pro Zentimeter Länge hat.

4. Magnetische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die (111 -Magnetostriktion des Materials einen Maximalwert von angenähert 0,5 ■ 10-° cm Änderung pro Zentimeter Länge hat.

5. Magnetische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetostriktiven Werte in den (IH)- und {100 Richtungen im wesentlichen gleich Null sind.

6. Magnetische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die tetraedrischen Plätze von wenigstens einem Ion solcher Atome besetzt sind, die aus der aus Gallium, Aluminium. Silizium, Germanium und Vanadium bestehenden Gruppe ausgewählt sind, und daß das magnetische Moment auf einen Wert im Bereiche von etwa 30 bis 500 Gauß bei Zimmertemperatur verringert ist.