DE2118285C3 - Magnetische Schaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine niapioi^i.-he. schaltung mit einem Körper aus einem Material, das :inachsig 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 einwandigen Domänen bildenden Einrichtung und einer Übertragungseinrichtung, welche die Domänen durch wenigstens einen ferrimagnetisf.hen 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

so sind. Solche Schaltungen, die zum Beispiel in IEEE Transactions, Mag. 5 (1969), 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

»5 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 Polarisationsbereich<\ 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 abhängig von der Fähigkeit des Materials, eingegrenzte Bereiche genügend kleiner Abmessungen zu übertragen. Bei einer besonderen Ausführungsfcrm, die beispielsweise einen 10⁶-Bit-Speicher darstellt, kommen einwandige Domänen in der Größenordnung von

8 10⁴cm Durchmesser in Betracht. Ein 10⁵-Bit-Speicher kann auf dreifach größeren stabilen Domänen basieren, und ein 10⁷-Bit-Speicher erfordert stabile einwandige Domänen, deren Durchmesser em Drittel desjenigen bei W-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 /eigen usw. Ein ebenso maßgebliches Problem gehört eher in den Grundlagenbereich. Materialien mit der erforderliehen einachsigen Anisotropie waren allge-

Go mein in gewisser Hinsicht nicht zufriedenstellend. So basierten beispielsweise bekannte ausgeführte Schaltungen allgemein auf Ortliofcrriten der seltenen Erden. Obwohl es sehr wahrscheinlich ist, daß Orthofernt-Bauclementc bzw. Schaltungen mit einwandi-

6;; iivu Domänen kommerziell verwertet werden, stellen gebräuchliche Orthof errit-Zusammensetzungen ein Hindernis für die Entwicklung von AusführungsforuK'ii mit hohen Bit-Dichten dar.

Allgemein haben Orthoferrite derartige magnetische Eigenschaften, daß sie die Übertragung von einwandigen Domänen, die kleiner als etwa 5 · 10~³ cm im Durchmesser sind, schwierig machen. Bei üblichen Ausführungen hat dies eine maximale Bit-Dichte in der Größenordnung von 1,55 · 10⁴ Bits pro Quadratzentimeter zur Folge.

Versuche, die Größe stabiler Domänen bei üblichen Betriebstemperaturen zu verringern, haben neue Probleme aufgeworfen; so verringert eic 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 Nähe der Reorientierungstemperatur bringt außerdem eine hohe Temneraturabhängigkeit der Domänen-Größe mit sich, was eine genaue Temperatursteuerung bei Schaltungen bzw. Bauelementen erfordert, welche derartige Zusammensetzungen verwenden. Außerdem weisen so die Materialien trotz der schwerpunktartigen Entwicklung von Züchtungsmethoden für Orthoferrite bisher keine ausreichende kristalline Perfektion auf, um eine wirtschaftliche Herstellung zu ermöglichen.

Eine zweite Materialgruppe, die zur Verwendung as in Schaltungen der eingangs genannten Art einige Beachtung gefunden hat, ist die der hexagonalen Ferrite (z. 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 Modifizierungen der Zusammensetzung waren häufig darauf abgestellt, die Domänengröße zu erhöhen statt zu verringern.

Derzeit werden Magnetoplumbite nicht als sehr erfolgversprechende Materialien zur Übertragung magnetische! Domänen angesehen, und zwar vor allem wegen einer ihnen anhaftenden anderen Beschränkung, nämlich der geringen Beweglichkeit. 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 Schaltungen 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 Matcrialgruppen 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 Rendus, Band 242, S. 382) angegeben wurden, sind isolierende Ferrimagnete der Granatstruktur. Die bekannteste Zusammensetzung ist Yttriumeisengranat. Y₃Fe₅O₁₁,, das der Einfachheit halber häufig als YIG bezeichnet wird. Es gibt viele Zusammensetzungsvarialionen; 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 Wachslunisvcrhalten dieser Materialien sind bekannt, 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 domänenaufweisende Schaltungen, welche einachsige magnetische Anisotropie erfordern. Jedoch haben die Eigenschaften von Granat untersuchende Wissenschaftler Bereiche magnetischer Anisotropie beobachtet. Allgemein wurde solcher Anisotropie wenig Beachtung geschenkt, und Literaturhinweise führten in der Regel zu diesem Problem einen Druckspannungsmechanismus an. Bei einigen Gelegenheiten wurde die Aniosotropie 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 Schaltungen bzw. Bauelementen. Zur Erzeugung der benötigten einachsigen magnetischen 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 im 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 Schaltung der eingangs angegebenen Art erSndungsgeinäß dadurch überwunden, daß das Materia.1 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( t ), 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 (lll)-Richtungen sind, und daß die Magnetostriktion des Materials in der (lll)-Richtung eine um wenigstens zehn Prozent geringere Stärke als diejenige eines nur ein solches Ion enthaltenden Granatmaterials hat.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die eigene gleichrangige Patentanmeldung P 21 18 264.9 befaßt sich in einigen Ausführungsforinen mit gleichen magnetischen Granatmaterialien. Es wird dort die Substitution bestimmter Ionen an dodekaedrischen Plätzen angewendet. Ein Unterschied zur vorliegenden Erfindung besteht darin, daß 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.

1" i g. 1 und 2 zeigen in schematischcr Darstellung bzw. Draufsicht eine Ausführungsform einer magnetischen Schaltung mit einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung. Hs 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 Verwendung in Schaltungen mit einwandigen Domänen besonders geeignet sind. Allgemein wird die Verringerung der Magnetostriktion in erster Linie in dei (lll)-Richtung bewirkt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Magnetostriktion auch in der (1 OO)-Rich tung 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 Drückspannung 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 Spannungsmechanismus zurückgeführten Art zeigen, sondern daß die Anisotropie auch über große 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-Effckten verbundene Herstcllungsprobleme 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 hochmagnetostriklivcn 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 (11 ^-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 Fig. 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 rieh 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 · 10⁶ Bit-Plätzen pro Quadratzentimeter zur Verfügung stehen werden. Die Schaltung gemäß den Fig. 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 cinwandige Domänen bewegt werden können. Die Bewegung der Domänen ist erfindungsgemäß durch

as Muster aus magnetisch weichem Auflagematerial in Abhängigkeit von reorientierenden Feldern in der Platten- bzws Schichtebene (in-plane fields) vorgeschrieben. Für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung wird vorausgesetzt, daß die Auflagen stab- und

3= T-förmige Abschnitte sind und sich das reorienticrcndc Feld in Uhrzeigerrichtung in der Ebene der Schicht bzw. Platteil gemäß Fig. 1 und 2 dreht. Die Rcorientierungsfeldquelk: ist in Fig. 1 als Block 12 dargestellt und kann zwei gegenseitig orthogonale Spulenpaarc (nicht gezeigt) aufweisen, die in bekannter Weise mit 90^r Phasenverschiebung betrieben werden. Die Konfiguration der Auflage ist in Fig. 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 Fi g. 1 mit dem Bezugszeichen 13 bezeichnete Stelle jedes Registers beobachtet. Jede Drehung des reorienlierenden 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-Muster belegt, und der vertikale Kanal ist unbelegt. Ein Binär-Wort umfaßt ein Domänen-Muster, 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 repräsentiertes Binär-Worl 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 Auslescoperation 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 strichpunktiert gezeigte Schleife T gekennzeichnet, welche den Vcrtikal-Kanal umgibt. Die Operation führt zur Übertragung eines Domänenmusters von (einer oder) beiden Registerspalten in den vertikalen Kanal. Beispielsweise erfordert eine Übertragung eines lÜOO-Bit-Woris 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 Schiebercgister-Kennzcichnungsschaltung 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 vertikrlen Kanal zu einer Eingabc-Ausgabc-Stcllc, die durch den vertikalen Pfeil A I dargestellt wird und mit einer durch den Block 15 in Fig. 1 dargestellten F-ingabe-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-Opcration 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 Auflagemustcrs, 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 Auflagemusler sich wiederholende Abschnitte enthält. Wenn das Feld mit der Richtuna der größeren Abmessung eines Auflagcahschnitts ausgerichtet ist, so induziert es in den Endteilen der Abschnitte Pole. FIs 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 Wiederholungsmuster der Auflage. Das heißt, die nächstbenachbarten Bits liegen um ein Wiederholungsmuster auf Abstand. Die gesamten Domänenmusler, 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 Stellurigen einer Domäne neben dem vertikalen Kanal vor einer Übertragungsoperation beschrieben. Eine Domäne an der in Fig. 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 Magnetostrik'ion in den (111 (-Richtungen generell und für eine bevorzugte Klasse bzw. Gruppe auch in den (lOO)-Richtungcn 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 Hcrstellung 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.

So Die geringste bekannte (11 ^-Magnetostriktion für eine einfache einzelne dodekaedrische Kationen-Zusammensetzung (Eu₃Fe₅O₁₂) ist 1,8- 10-" cm pro Zentimeter Lange. Von einem Gesichtspunkt aus führt eine bevorzugte Klasse bzw. Gruppe gemäß der Erfindung zu einer (1 !^-Magnetostriktion, die nicht crößer als 1,6-10-° ist. Dieser Maximalwert 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 (lll)-Magnetostriktion bei einem Wert, der nicht größer al« 1 · 10 ^G ist, während eine noch bessere Ausführungsform eine (111 ^Magnetostriktion mit einem Maximalwert von 0,5 ■ U)-" verlangt.

Die (111 ^Magnetostriktion ist für die Erfmdunj am wesentlichsten, da sie die Richtung leichter Ma

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netisicrung 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 Schallung 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)-Richlung 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 Ausfühningsform 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). Die'se Tabelle zeigt die magnetostriktiven Werte in dimensionslosen Einheiten, welche Zentimeter Änderung pro Zentimeter Länge für R.jFcOp.-Granat-Zusammensctzungen darstellen. 3<>

Tabelle I

Magnetostriktion in den beiden in Betracht stehenden Richtungen berechnet wurden.

Tabelle II

Lu (oder Y)	Hu	Gd	Tb
1,34 1.85	0.09 0.16 0.18	2,325 1,00 0,50	0,585 0,50 0,47

Tubelle III zeigt fünf Zusammensetzungen mit den gemessenen magnetostriktiven Werten in beiden Richtungen. Die Granate gemäß Tabelle III wurden aus einer Schmelze gezüchtet, und die 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 erfir.dungsgemäße Lehre als exemplarisch angesehen werden können. In jedem Fall wurde eine Verringerung der Magnetostriktion um mehr als 10⁰Zo dadurch erreicht, daß wenigstens ein zusätzliches Ion mit einem magnetostriktiven Vorzeichen, das demjenigen eines anderen, den betreffenden Platz einnehmenden Ion entgegengesetzt ist, eingefügt wurde.

Tabelle III

R-Ion	(111)	(100)
Sm	-8.5- ΙΟ"6	-21 · 10-«
Eu	+ 1.8· ΙΟ"6	+ 21 ■ 10-«
Gd	-3,1 · ΙΟ-0	Null
Tb	+ 12.0· IO-6	-3,3· 10-«
Dy	-5,9 · Η)"·1	-12,5· 10·«
Ho	-4.0· 10-6	-3,4· 10-«
Er . .	- 4,9· ΙΟ-«	+ 2,0· 10-«
Tm	-5,2· 10-6	+ 1,4· Hl-«
Yb	-4,5· K)-6	+ 1,4· ΙΟ"«
Lu	-2,4· 10-6	-1,4· 10-«
Y	-2.4- ΙΟ"6	-1,4· 10-«

Zusammensetzung

Er₂TbAlFe₄O₁₂
En₁TbAl₁ ,Fe₃₉O₁.,

Gd"., MTbo'ee^iA»
Gdj'._MTb₀._MEu₀._MFe₅O₁₂

-0,6-

-0,4

-0,5
+ 0,3

10-6
10-6

ίο-«

IO-«

'(111)

-0,67·
-0,67
-0,43
+ 0.10
-0.5

40

45

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 (111)- 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 (11I)-Magnetostriktion bei Verwendung vor 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 minimaller 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 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^{1 +} , Co³⁺ und Co²⁺ an einem oder an beiden der tetraedrischen und oktaedrischeri Plätze zweckmäßig sein. Das (11 l)-magnetostriktive Vorzeichen, das dem Mn'* zugeordnet ist, ist ah positiv bekannt, 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 Berücksichtigung anderer Materialeigenschaften weitere Modifizierungen der Zusammensetzung eingefühn werden.

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

wobei

B der Domänendurchmesser, modifizieren, um diesen nachteiligen Effekt zu mini-

malisiercn. E die magnetische Austauschenergie _{Es wurde} festgestellt, daß die Verminderung der

K, die einachsige magnetokristalline Anisotropie Beweglichkeit durch die Verwendung von Substiiu-

" 5 tionen mit Kationen hervorgerufen wird, welche

und M_s das Moment _{ejncn Banndrehim}p_Ui_s haben. Jede Modifizierung

ist und zwar alle Größen in vereinbarten Einheiten. gemäß der tabellarischen Aufstellung weist ein der-So'lche Betrachtungen ermöglichen einen optimalen artiges lon auf. Erfreulicherweise kann diese Vernn-Berech beispielsweise des magnetischen Moments. gerung der Beweglichkeit durch weitere Subst.tutionen Für viele Zwecke licet der Bereich geeigneter Mo- io kompensiert werden, z. B. durch Substitutionen von tnentenwerte zwischen 30 und 500 Gauß. Da viele Ionen mit Bahndrehimpulsen, welche das umgebende Zusammensetzungen, die auf eine Verringerung der Kristallfeld in einen ungeordneten Zustand uber-Maenetostriktion abgestimmt sind, Momente haben führen. E.ne Losungsmogl.chkeit besteht unter Bekönnen die außerhalb dieses oder eines anderen zugnahme auf Tabelle 1 in der Verwendung von 3 ceeieneien Bereichs liegen, kann es erwünscht sein, *₅ oder mehr Ionen, die noch angenähert algebra.sch auch die Zusammensetzung so zu modifizieren, daß im Gleichgewichtszustand sind, wodurch sich eine die Magnetisierung eingestellt werden kann, obwohl Kompensation der Magnetostriktion wiederum in Eleichzeitie ein verringerter Wert der Magnetostrik- erster Linie in den (lll)-Richlungen ergibt. Andere lion aufrechterhalten bleibt. Für viele Zusammen- Wege können eingeschlagen werden, und es konnte setzuneen wird das magnetische Moment durch Sub- ao festgestellt werden, daß jede Modifizierung, welche stitution nichtmagnetischer Ionen an den maßgeb- zu einer weiteren Variation der einen vorgegebenen liehen tetraedrischen Eisenplätzen verringert. Reprä- Platz einnehmenden Ionen führt, ein Anwachsen der sentative Substitutionen umfassen Gallium, Alumini- Domänen-Beweglichkeit bei Zusammensetzungen um Silizium und Germanium (allgemein belegen hervorruft, die ein Ion mit einem Bahndrehimpuls Ionen mit Radien, die gleich oder kleiner als der- a₅ enthalten.

jenige des dreiwertigen Galliums (0,62 A) sind, vor- ₃ Züchtung

zugsweise tetraedrische Plätze).

Ebenfalls im Hinblick auf die Einstellung der Ma- Die erfindungsgemaße Konzeption ist im wesent-

enetisierune können auch Substitutionen an dem liehen vom Züchtungs- bzw. Wachstumsprozeß unal·- dodekaedrischcn Platz vorgenommen werden. Es ist 30 hängig, abgesehen davon, daß die Züchtung bei Tembekannt daß beispielsweise der Einbau von Gado- peraturen unter etwa 1200 C wesentlich ist, um eine linium zu einer Verringerung des magnetischen Mo- Oidnung zu gewährleisten, welche einer magnetisch ment' bei Zimmertemperatur führt. einachsigen Ausrichtung dienlich ist. (Dies schließt

Eine ins einzelnere gehende Erörterung gehört je- nicht eine Erzeugung bei höherer Temperatur in einer doch nicht in die vorliegende Beschreibung. Es kann 35 mit fallenden Temperaturen arbeitenden Technik hier in bezug auf grundlegende Erörterungen dieser aus, da eine Angleichung an das auf niedrigerer Tem-Art auf Handbook of Microwave Ferrite Materials peratur befindliche Material erfolgt.) Geeignete krivon Wilhelm H Von Aulock, Academic Press, New stalline Materialien können aus der Schmelze ent-York (1965) hingewiesen werden. weder spontan oder auf einem Zuchtkeim (vergleiche

Ein weiterer für den Aufbau von Domänen-Ein- 4° z· B. Journal of Physics. Chem. Solids Suppl. Crystal richtungen maßgeblicher Parameter ist als Domänen- Growth. H. S Peiser (1967) S^441 bis 444, und Beweglichkeit definiert. Während die Ausbreitungs- Journal of Applied Physics, Suppl. 33, S. 1362 geschwindigkeit von magnetischen bzw. einwandigen (1962) oder hydrothermisch (vgl. Journal of Ame-Domänen durch einfache Zusammensetzungen, wie rican Ceramics Society, 45, 51 (1962)) durch AbYttrium oder Gadolinium Eisen-Granate., für die mei- 45 scheiden aus der Dampf-Phase, Zerstäuben, thcrsten Anwendungsrälle ausreichend hoch ist, führt die misches Ablagern oder durch Zonen-Gradienten erfinduneseemäß vorgesehene Modifizierung unglück- Übertragung gezüchtet werden (vergleiche z. B. Jour licherweise häufig zu einer Verminderung dieser nal of Applied Physics, 39, S. 4700 (1968), Appliec Beweglichkeit Obwohl es Schaltungen gibt, für Physics Letters 10, S. 190 bis 194 (1967), Crysta welche diese verminderte Beweglichkeit ausreichend 50 Growth von F. C. Frank, J. B. Mulliii und H. S ist ist es häufig erwünscht, das Material weiter zu Peiser, 443 (1969)).

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Claims (6)

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 Material 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(-t-), 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 (Hl)-Richtungen sind, und daß die Magnetostriktion des Materials in der (lll)-Richtung eine um wenigstens zehn Prozent geringere Stärke als diejenige eines nur ein solches Ion enthaltenden Granatmaterials hat.

2. Magnetische Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die {lll)-Magnetostriktion des Materials einen Maximalwert von angenähert 1,6 · 10~^e cm 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-^flcm 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 6,5 ■ 10"⁶Cm Änderung pro Zentimeter Länge hai.

5. Magnetische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetostriktiven Werte in den (lll\-und (K)O)-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.