DE2252715A1 - Optisch transparente einkristallscheibe aus substituiertem eisen-granat und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

Description

Philips Patentverwaltung GmWI₁, Hamburg 1, Steiridamm 94

Optisch transparente Einkristallscheibe aus substituiertem Eisen-Granat und Verfahren zu ihrer Herstellung

Die Erfindung bezieht sich auf eine' optisch transparente Einkristallscheibe aus substituiertem Eisen-Granat der

!Formel Y„ A Pe,- B O₁₉₉ worin A mindestens eines der ^D~ ο ο ^p"^yo ^yo

dreiwertigen Seltenen Erden von La^ bis Yb^⁺ und B mindestens

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eines der Elemente Ga , Al^⁺ und/oder eine Kombination wenigstens eines der Elemente Si^⁺, Ge und ¹Ir⁺ mit

2+ 2+ 2+ wenigstens einem der Elemente Ca , Mg und Zn "bedeutet

für x_Q = 0 1 = j_o = 2 oder

für 0 < x₀ = 3 0 = Y₀ Ξ 2 ist,

mit einem linienförmigen Bereich, in dem die Sättigungsmagnetisierung M gleich Null ist (Kompensationslinie).

Die Einkristallscheiben sollen zur Erzielung ausreichender optischer Transparenz im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichtes Dicken von einigen /um bis etwa 100 yum aufweisen; im Bereich des infraroten Lichtes, insbesondere sswischen etwa 1 /um und 5 /um Wellenlänge, lassen sich Scheiben mit Dicken bis zur Abmessung von Zentimetern verwenden. Baraus folgt, daß die Scheiben sowohl aus massiven Einkristallen hergestellt werden können, als auch die bereits bekannten, durch Epitaxie auf eisenfreien Granat-Einkristall-Subßtraten herstellbaren dünnen einkristallinen magnetischen Granatfilme Verwendung finden können.

Die genannten Eisen-Granate zeichnen sich dadurch ausι daß sie für bestimmte Zusammensetzungen einen Kompensationspunkt der Magnetisierung M besitzen, d.h. eine resultierende Ma-

gnetisierung M_o gleich Null aufweisen. Aue einem Aufsatz s

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von Mee in der Zeitschrift "Contemp. Phys.", 1967, Vol. 8, No. 4, Seiten 385 bis 400, ist es "bekannt, daß bei einem Yttrium-Eisen-Granat der Formel Y^Fe^- Ga O^p sich bei j- 1,34 eine antiferromagnetische Linie ausbildet mit einer galliumreicheren und einer galliumärmeren Zone zu beiden Seiten. Diese antiferromagnetische Linie, im weiteren Kompensationslinie genannt, ist die geometrische Verbindung von Punkten mit M gleich Null in der Scheibenebene.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich an diesen Kompensationslinien bei Anlegen eines magnetischen !Feldes Kompensationswände ausbilden, welche sich durch die gesamte Einkristallscheibe erstrecken und magnetische Bezirke voneinander trennen, in denen die resultierende. Magnetisierung sich der Richtung nach nicht ändert, dagegen die betreffenden Untergittermagnetisierungen ihrer Richtung nach um 180° gegeneinander gedreht sind. Diese Kompensationswände, sind dadurch charakterisiert, daß sie

1. bei Anlegen eines magnetischen Feldes im Gegensatz zu den bisher bekannten magnetischen Domänenwänden (z.B. Bloch- oder Neel-Wand) ihre Lage nicht verändern;

2. bei Anlegen eines magnetischen Feldes ihre Wanddicke um mehrere Größenordnungen ändern k'önnen (im Falle des angeführten Beispieles Y^Fe_x ccGa.. ,,0„_o von* kleiner als

1 /um auf etwa 250 /um Breite. In Fig. 1 ist die Breite d einer Kompensationswand, in Y,Fe, ^Ga., -r,0,_o in Abhängig-

j 5) ob Ί , )4 ι <-

keit vom angelegten äußeren Magnetfeld H dargestellt;

Cl

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3. bei Änderung der Temperatur, auf der sich die Probe befindet, sehr empfindlich ihre Lage ändern (im Falle des angeführten Beispieles YJFe, ggGa-j 34.^1? ^^e*^r^ß* ^ie' Lageveränderung 75 /um pro ⁰C);

4. bei Verbreiterung der Kompensationswand gemäß Punkt 2 eine starke Änderung der optischen Transparenz für polarisiertes Licht (magneto-optischer Faraday-Effekt) in dem von der Wand überdeckten Bereich bewirken.

Die soeben geschilderten Eigenschaften der gefundenen Kompensationswände lassen die in Frage stehenden Einkristallscheiben geeignet erscheinen, zum Beispiel mit Hilfe eines Rasters von Leiterbahnen (Ausnutzung der unter Punkt 2 beschriebenen Aufweitung der Wand durch ein äußeres magnetisches Feld) oder durch Belichtung mit einem fokussiertem Laserstrahl und durch die damit verbundene geringfügige Erwärmung (Ausnutzung der unter Punkt 3 beschriebenen Ortsverlagerung der Wand bei Erwärmung) lokal eine Information einzuschreiben, welche elektrisch, magnetisch und optisch steuerbar ist. Hierfür benötigt man jedoch eine Vielzahl von Kompensationslinien mit magnetischen Wänden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einkristallscheibe mit einer großen Anzahl Kompensationswänden zu schaffen.

Diese Aufgabe wird bei einer optisch transparenten Einkristallscheibe eingangs erwähnter Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zur Erzielung einer Anzahl periodisch nebeneinander liegender Kompensationslinien mit einer Sätti-

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gungsmagnetisierung Null, an denen sich bei Anlegen eines magnetischen Feldes Kompensationswände ausMlden, sich inder Einkristallscheitle die Parameter χ und/oder y der Zusammensetzungsformel periodisch um einen Wert ändern,„ der dem Betrage nach kleiner ist als +0,02.

Eine derartige Einkristallscheibe zeigt eine solche periodische Änderung ihrer Sättigungsmagnetisierung M , daß längs einer Ortskoordinäte der Scheibe der Wert von K mit einer vorgegebenen Periode Nulldurchgänge aufweist, so daß Kompensationslinien in periodischer Anordnung erzeugt werden, längs denen sich Kompensationswände ausbilden.

Dieser Vorgang wird anhand der Pig. 2 näher erläutert, in der eine Einkristallscheibe 1 aus Y^Pe₁- ßa O.« mit ν_Λ = 1,34

j ο—y y ι c. ·Ό

dargestellt ist. Der Wert von y ändert sich längs der Ortskoordinate 1 periodisch um y + 0,02. Jeweils bei y , wo die Sättigungsmagnetisierung M_ gleich Null ist, bildet sich eine Kompensationswand 2. Im rechten Teil der Pig. 2 ist der, y-Anteil und die Magnetisierung M längs der Ortskoordinate der Scheibe. 1 dargestellt. Hieraus geht hervor, daß sich der y-Anteil periodisch längs der Ortskoordinate 1 um einen Mittelwert y ändert. Jeweils beim Nulldurchgang entstehen Kompensationswände mit M_a gleich Null.

In Pig. 3 sind perspektivische Ansichten von Einkristallscheiben 1 aus Eisen-Granat mit mehreren Kompensationswän-

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den 2 dargestellt, wobei das linke Bild den Zustand mit einem kleinen magnetischen Feld (EL etwa 1 Oe) und das rechte Bild den Zustand mit einem großen angelegten magnetischen Feld (H₀ etwa 100-3000 Oe) senkrecht zur Ein-

el

kristallscheibe zeigt; im letzteren Zustand hat sich die Breite d der Kompensationswände 2 erheblich vergrößert.

Eine derartige Einkristallscheibe mit einer Vielzahl nebeneinander liegender Kompensationslinien läßt sich z.B. als elektrisch und magnetisch steuerbare Apertur bzw. Liclitverschluß zur Herstellung eines Displays und als Speiehermatrix verwenden.

Es folgen noch einige Zusammensetzungabeispiele von substituierten Eisen-Granaten, die bei 300⁰K ebenfalls ein»Kompensationspunkt mit M » O aufweisen:

^YO,6^Gd2,4^Pe4,62^AlO,38°12 ^Y0,6^Tb2,4^Fe4,37^A1O,63°12

^YO,6^Ho2,4^Fe3,73^Al1,27°12

^Y0,2^Gd2,8^Fe4,85^Ga0,15°12 ^Y0,2^Tb2,8^]?e4,61^Ga0, 39°12

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Y_{n 9}Er₉ «Pe, rnfia.

^Υ1,95^Ca1,O5^Pe3,95^Si1,05°12

^Υ1,95^Ca1,05^3,95⁰⁸I ,Ο5°12

Me Erfindung "bezieht sich auch auf Verfahren zur Herstellung derartiger Einkristallscheiben.

Sollen die Einkristallscheiben aus einem Einkristallkörper längs seiner Wachstumsrichtung herausgeschnitten werden, so wird gemäß der Erfindung die Temperatur am Ort des wachsenden Einkristallkörpers periodisch geändert. Bei einem derartigen Verfahren wachsen Einkristalle in einer Schmelze mit Temperaturgradienten, wobei sich der Kristall auf einer tieferen und ein polykristalliner Nutrient auf einer höheren Temperatur "befindet, jedoch mit der zusätzlichen Maßgabe, daß die Temperatur am Ort des wachsenden Kristalles kleinen periodischen Änderungen "bis zu + 3O⁰C um einen Mittelwert T herum unterworfen wird. Der"Mittelwert T_Q kann dabei zwischen 900 - 1200 C je nach Ausgangskonzentration der schraelzflüssigen Lösung liegen. Die Zusammensetzung der Schmelze ist dabei so zu wählen, daß sie zur Kristallisation von Kristallen der Zusammensetzung mit einem Kompensationspunkt führt bzw. in die Nähe einer solchen Zusammensetzung; im angeführten Beispiel Y^Pe^_„Ga„O₁₂ zu y_Q ■& 1,34. Aus den so gewonnenen Kristallen können dann entsprechende optisch transpa-

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rente Scheiben herausgeschnitten werden.

Daß bei periodischer Änderungder Wachsturnstemperatur eines Kristalles periodische Schwankungen der chemischen Zusammensetzung im mikroskopischen Maßstab auftreten, ist aus dem Phänomen der sog. Wachstumsstreifen bereits bekannt.

Die Einkristallscheibe nach der Erfindung läßt sich auch dadurch herstellen, daß in die Einkristallscheibe in periodischen Abständen A- und/oder B-Ionen eindiffundiert werden. Bei diesem aus der Halbleitertechnologie an sich bekannten Verfahren werden Ionen thermisch in ein zusaminensetzungsmäßig homogenes Material eindiffundiert, das eine Zusammensetzung mit Kompensationspunkt besitzt bzw. sich in der Nähe einer solchen Zusammensetzung befindet. Die periodische Anordnung der Kompensationswände wird dadurch bewirkt, daß in an sich bekannter Weise mittels photolithographiBCher Verfahren das Eindiffundieren nur an bestimmten Stellen in mehr oder weniger starkem Maße erfolgt. Die einzudiffundierenden Ionen können dabei auf vielfältige Weise,' z.B. durch .Bedampfung im Vakuum, durch HF-Sputtern oder auch durch chemische Tauchverfahren vor dem Diffusionsschritt auf die Oberfläche der Probe gebracht werden. Das Eindiffundieren sollte zweckmäßigerweise zur Vermeidung zu langer Diffusionszeiten bei Temperaturen oberhalb 800⁰C erfolgen. Dadurch wird bewirkt, daß das Granatgitter genügend aufgeweitet wird, um das thermische Eindringen der auf die Oberfläche aufgebrach-

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ten Ionen zu ermöglichen. Diese Ionen wandern dann im Bereich einiger /um auf ihrem Ionenradius entsprechende
Gitterplätze.

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer Einkristallscheibe nach der Erfindung "besteht darin, daß in die Einkristallscheibe in periodischen Abständen A- und/oder .
B-Ionen implantiert werden. Ein ,derartiges Verfahren, bei dem Ionen mit einem periodischen Konzentrat!onsprofil implantiert werden, ist ebenfalls aus der Halbleitertechno-

ι ·

logie bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein Ionenstrahl des zu implantierenden Ions erzeugt, wobei die Ionen auf eine Energie beschleunigt werden» die sie in die Lage versetzt, einige /um in das Gitter einzudringen, in das sie implantiert werden sollen. Gegebenenfalls ist ein nachfolgendes Tempern zur Ausheilung von Gitterdefekten, die beim Implantationsvorgang auftreten können, durchzuführen.

Patentansprüche: - 10 -

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Claims (4)

Patentansprüche;

1. Optisch transparente Einkristallscheibe aus substituier tem Eisen-Granat der Formel Y, A Te₁- B O₁₀,

2-X₀ x₀ 5-y₀ J₀ T^

worin A mindestens eines der dreiwertigen Seltenen Erden

■Ζ ι ·2 ι " ·2 ,

von La bis Yb und B mindestens eines der Elemente Ga , Al^⁺ und/oder eine Kombination wenigstens eines der Elemente Si , Ge und V mit wenigstens einem der Elemente Ca²⁺, Mg²⁺ und Zn²⁺ bedeutet und

für x₀ = 0 1 = y₀ = 2 oder

für O < x₀ < 3 ο = y₀ = 2 ist,

mit einem linienförmigen Bereich, in dem die Sättigungsmagnetisierung M gleich Null ist (Kompensationslinie), dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer Anzahl periodisch nebeneinander liegender Kompensationslinien mit einer Sättigungsmagnetisierung Null, an denen sich bei Anlegen eines magnetischen Feldes Kompensationswände ausbilden, sich in der Einkristallscheibe die Parameter χ und/oder y der Zusammensetzungsformel periodisch um einen Wert Ändern, der dem Betrage nach kleiner ist als + 0,02.

2. Verfahren zur Herstellung einer Einkristall-Bcheibe nach Anspruch 1, die aus einem Einkristallkörper

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längs seiner Wachstumsrichtung herausgeschnitten wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur am Ort des wachsenden Einkristallkörpers periodisch geändert wird.

3. Verfahren zur Herstellung einer Einkristallscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Einkristallscheibe in periodischen Abständen A- und/ oder B-Ionen eindiffundiert werden.

4. Verfahren zur Herstellung einer Einkristallscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Einkristallscheibe in periodischen Abständen A- und/ oder B-Ionen implantiert werden.

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