DE2318798A1

DE2318798A1 - Magneto-optisches material

Info

Publication number: DE2318798A1
Application number: DE19732318798
Authority: DE
Inventors: Sadao Hishiyama; Kiminari Shinagawa; Hiroshi Takeuchi; Satoshi Taniguchi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1972-04-14
Filing date: 1973-04-13
Publication date: 1973-10-31
Also published as: NL7305249A; JPS48104099A; JPS5615125B2

Description

Magneto-optisches Material Die Erfindung betrifft ein magnetoZoptische3 Material mit einem sehr großen Gütefaktor des Faraday-Effekts bei Raumtemperatur in der Gegend der sichtbaren Strahlung und der nahen Infrarotstrahlung. Hierin soll die Bezeichnung 1magneto-optisches Material" ein Material bezeichnen, welches bei der Magnetisierung die Erscheinung zeigt, daß sich die Polarisationsebene des durchgehenden Lichts dreht, d.h. daß das Material einen Faraday-Effekt zeigt Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 stellt ein Diagramm dar, das bei einem erfindungsgemäßen magneto-optischen Material und bei einem Material nach dem Stand der Technik in der Gegend der sichtbaren Strahlung die Beziehung zwischen dem Gütefaktor und der Wellenlänge zeigt. Die Fig. 2 ist ein Diagramm, das bei einem magneto-optischen Material gemäß der Erfindung und enem Material gemäß dem Stand der Technik in dem Bereich der sichtbaren Strahlung und der nahen Infrarotstrahlung die Beziehung zwischen dem Gütefaktor und der Wellenlänge zeigt. Fig. 3 ist ein Diagramm, das bei einem erfindungsgemäßen magneto-optischen Material die Beziehungen zwischen dem Bruchtsiltdes Wismuths und dem Winkel der Faraday-Drehung zeigt. Fig. 4 ist ein Diagramm, das bei einem erfindungsgem-äßen seltenen Erden-Eisen-Granat, der Wismuth enthält, die Beziehung zwischen dem Winkel der Faraday-Drehung und der Wellenlänge zeigt. Fig. 5 ist ein Diagramm, das bei einem erfindungsgemäßen Material aus einem seltenen Erden-Eisen-Granat (Tb, Y; Gd und Sm), welches Wismuth-enthält, bei einer Wellenlänge von 0,5i4/U die Beziehung zwischen dem Koeffizient der Faraday-Drehung und dem Bruchteil des Wismuths zeigt. Fig. 6 ist ein Diagramm, welches bei einem erfindungsgemäßen Material aus einem Yttrium-Eisen-Granat, das Wismuth enthält, wobei das Eisen durch andere Elemente substituiert ist, die Beziehung zwischen dem Koeffizient der Faraday-Drehung und der Wellenlänge zeigt. Fig. 7 ist ein Diagramm, das bei einem erfindungsgemäßen magneto-optischen Material in der Gegend der nahen Infrarotstrahlung (bei einer Wellenlänge von 0,8/u) die Beziehung zwischen dem Bruchteil des Wismuths, den Gütefaktor und den Koeffizient der Faraday-Drehung zeigt. Fig. 8 ist ein Diagramm, welches bei einem erfindungsgemäßen Material aus einem Gadolinium-Eisen-Granat, welches Wismuth enthält, in der Gegend der nahen Infrarotstrahlung die Beziehung zwischen dem Gütefaktor und dem Bruchteil des Gadoliniums im Verhältnis zu Eisen zeigt Fig 9 ist ein Diagramm, welches bei einem er,indungsgemolQen Material aus einem Gadolinium-Eisen-Granaw, wobei das Gadolinium in einem bestimmten Verhältnis durch Wismuth ersetzt ist, in der Gegend der sichtbaren Strahlung bis zur nahen Infrarotstrahlung die Abhängigkeit zwischen dem Koeffizient der Faraday-Drehung und der Wellenlänge zeigt. Fig. 10 ist schließlich ein Diagramm, das bei einem erfindungsgemäßen Material aus einem seltenen Erden-Eisen-Granat (Yb, Y und Gd Eisen-Granat) in der Gegend der nahen Infrarotstrahlung die Beziehung zwischen dem Koeffizient der Faraday-Drehung und dem Bruchteil des Wismuths in bezug auf die seltenen Erden zeigt.
Als Faraday-Effekt wird bekanntlich die Erscheinung bezeichnet, daß, wenn ein Ferromagnet magnetisiert ist und in paralleler Richtung zur Magnetisierungsrichtung ein linear polarisiertes Licht aufgebracht wird, dieses polarisierte Licht durch den Ferromagnet hindurchtritt und hierdurch bewirkt, daß die Polarisationsebene gedreht wird. Der Faradag-Effekt ist der Stärke der Magnetisierung proportional. Das Vorzeichen der Drehungsrichtung der Polarisationsebene wird bei einer Veränderung der Magnetisierungsrichtung umgekehrt. Materialien, welche einen Faraday-Effekt zeigen, werden daher für optische Modulationseinrichtiangen, magneto-optische Einrichtungen und magneto-optische Speicherungseinrichtungen verwendet, sowie zu dem Zweck, den Magnetisierungszustand eines Feromagneten und das Vorliegen eines magnetischen Bereichs festzustellen. Der Winkel der Faraday-Drehung (d.h. der Winkel, um den durch den Faraday-Effekt die Polarisationsebene gedreht wird) variiert mit der Stärke des Ferromagneten, durch den das Licht hindurchgeht. Wenn daher bei den oben genannten Einrichtungen ein zufriedenstellend großer Drehwinkel der Polrisationsebene angestrebt wird, dann wird naturgemäß die Stärke des verwendeten ferromagnetischen Materials erhöht. Hierdurch wird aber in der Praxis die Intensität des Lichts, das durch das Material hindurchgeht, aufgrund der Absorption des Lichts durch den Ferromagnet stark erniedrigt. Magneto-optische Materialien für praktische Anwendungszwecke sollten daher einen großen Faraday-Effekt und eine minimale Lichtabsorption zeigen. Zur Bewertung dieser Eigenschaften wird der Gütefaktor des Faraday-Effekts (nachstehend als Gütefaktor abgekürzt) verwendet. Gewöhnlich wird der Gütefaktor als maximaler Winkel der bewirkten Paraday-Drehung in Beziehung zur Dicke des ferromagnetischen Materials, wenn die Lichtintensität um 1 Decibel abnimmt, angegeben. Der Winkel der Faraday-Drehung wird in Grad/Decibel-Einheiten angegeen.
Es wird erschtlich, daß magneto-optische Materialien, die einen großen Gütefaktor besitzen, für die Praxis sehr wertvoll sind.
Bei den herkömmlichen magneto-optischen Materialien hat sich gezeigt, daß, je größer der Faraday-Effekt ist, desto größer die Lichtabsorption ist, oder daß, je geringer die Lichtabsorption ist, desto kleiner der Faraday-Effekt ist. Dies ist darauf zurückzuführen, daß eine enge Beziehung zwischen der Lichtabsorption und dem Faraday-Effekt bei solchen magneto-optischen Materialien besteht. Einige bekannte magneto-optische Materialien haben große Gütefaktoren. Beispiele für solche Materialien sind Yttrium Eisen-Granat (nachstehend als YI$ abgekürzt), für optische Modulationseinrichtungem und magneto-optische Einrichtungen, Gadoliniu Sisen-Granat (nachstehend als GdIG abgekürzt), Eurctpiummonooxid (nachstehend ds EuO abgekürzt) und Msnganwismuthit (nachstehend als MnBi abgekürzt) für magneto-optische Speicherungselnrichtungen. Fig. 1 ist ein charakteristisches Diagramm, gemessen in der Gegend der sichtbaren Strahlung, für den Gütefaktor eines einfachen seltenen Erden-Eisen- Granats (nachstehend als RIG abgekürzt), z.B. YIG und GdIG, sowie von EuO und MnBi.
In Fig. 1 gibt die Kurve 1 den Gütefaktor für Y3Fe5012, die Kurve 2 für Gd3Fe5012, die Kurve 3 für MnBi und die Kurve 4 für EuO in der Gegend der sichtbaren Strahlung an.
Diese charakteristischen Eigenschaften sind mit Ausnahme von EuO Werte, die bei Raumtemperaturen (3000in) aufgenommen wurden. Wie aus Fig. 1 hervorgeht, liegen die Gütefaktoren in der Gegend der sichtbaren Strahlung unterhalb 1° pro Decibel (von Q,2 bis 0,4). Bei iL' Kurve 4 EuO liegt der Gütefaktor in der Gegend der Wellenlängen oberhalb der nahen Infrarotstrahlung oberhalb 10 pro Decibel. Dieser Wert kann nur dann erhalten werden, wenn die Raumtemperatur nur 800kl oder weniger beträgt (die Kurve 4 ist bei 50K aufgenommen).
Ziel der Erfindung ist es, ein magneto-optisches Material zur Verfügung zu stellen, das bei Raumtemperatur in der Gegend der sichtbaren Strahlung und der nahen Infrarotstrahlung in der Nachbarschaft der sichtbaren Strahlung einen großen Gütefaktor besitzt.
Die magneto-optischen Materialien gemäß der Erfindung stellen im wesentlichen Yttrium und seltene Erden-Eisen-Granate sowie deren Derivate dar. Die Zusammensetzung der erfindungsgemäl3en Materialien kann durch die Formel R3 BiFe5012 angegeben werden, worin x im Bereich von 0,2 bis 2 liegt und R mindestens ein -Element aus der Gruppe Yttrium und seltene Erdmetalle ist. Die Zusammensetzung der erfindungsgemäßen magneto-optischen Materialien wird typischerweise durch die allgemeine Formel R3~xBixBe5~yAyO12 angegeben, worin x im Bereich 0,2(x<2 und y im Bereich 0 # y < 5 liegt, wobei ein Yttrium und seltener Erden-Eisen-Granat umfaßt wird, der Wismuth enthält. In der allgemeinen Formel steht R für mindestens ein Element aus der Gruppe Yttrium und Elemente der seltenen Erden. Naturgemäß kann R auch zwei oder mehrere der angegebenen Elemente bedeuten. A bedeutet ein Element, das durch Eisen ersetzt bzw. ausgetauscht werden kann.
Bei der Zusammensetzung gemäß der oben angegebenen allgemeinen Formel handelt es sich um einen Perrimagnet, wie er inder bekanntgemachten japan, Patentanmeldung 43-5344 beschrieben wird. Dieser Ferrimagnet zeigt bei Raumtemperatur in der Gegend der sichtbaren Strahlung und der nahen Infrarotstrahlung in nächster Nähe der sichtbaren Strahlung einen großen Faraday-Effekt. Die Lichtabsorptionseigenschaften sind ähnlich wie bei YIG.
Es wurde festgestellt, daß der Ferriüiagnet in der Gegend der sichtbaren Strahlung und der nahen Infrarotstrahlung einen Gütefaktor besitzt, der bei Raumtemperatur größer ist als 10 pro Decibel. Der Ferrimagnet ist ein ausgezeichnetes magneto-optisches Material. So zeigt z.B. ein gesintertes Material (ein polykristallines Material) mit der Zusammensetzung )L2,5Bi0,5Fe5012, welches sich von der vorstehenden Formel ableitet, wenn man für x 0,5 und für y 0 setzt, eine Abhängigkeit des Gütefaktors von der Wellenlänge bei 300°K, wie es durch Kurve 5 der Fig. 1 angegeben wird.
Ein polgkristallines Material der Zusammensetzung Gd?-Bi1Fe5012, welches sich von der vorstehenden Formel ableitet, wenn man für x 1 und für y 0 setzt, besitzt eine Abhängigkeit des Gütefaktors von der Wellenlänge bei 300°K, wie sie durch Kurve 6 der Fig. 2 angegeben wird.
Es wird ersichtlich, daß der durch Kurve 6 angegebene Gütefaktor erheblich besser ist als dethnige gemäß Kurve 1 eines einkristallischen Materials in der Zusatnmensetzung Y3Fe5O12 bei 3000K in der Gegend der sichtbaren Strahlung und der nahen Infrarotstrahlung. Es ist zu beachten, daß die Kurve 6 nicht immer den Maximalwert für den Gütefaktor des magneto-optischen Materials angibt,da im allgemeinen ein polykritallines Material im Vergleich zu einem einkristallinischen Material einen offensuclltlich höheren Lichtabsorptonq.koeffizient besitzt. In dar Praxis wird der Lichtabsorptionskoeffizient in einem polykristallinen Material, das bei höheren Temperaturen gesintert worden ist, bei größerer Korngröße kleiner.Daher muB der obengenannte Wert für den Gütefaktor größer werden. Es ist gefunden worden, daß der Gütefaktor der obigen magneto-optischen Materialien zunimmt, wenn der Anteil des Wismuths gegenüber Yttrium oder Gadolinium zunimmt.
Es ist bekannt, daß Eisen-III-Borat (FeBO3) und Eisen-III-Fluorid (FeF3) Ferromagneten mit einer Curietemperatur von oberhalb Raumtemperatur darstellen, und daß der llchtabsorptionskoeffizient dieser Stoffe in der Gegend der sichtbaren Strahlung sehr klein ist.Diese Tatsache führt zu der Schlußfolgerung, daß diese Eisen-111-Materialien große Gütefaktoren besitzen. Wie es jedoch in journal of Applied Physics", Bd.42,Nr.9,Seite 3494 (1971) beschrieben wird, haben die Ferromagneten aus Eisen-III-Fluorid und Borat Bifringenz-Eigenschaften, so daß die durch Magnetisierung erhaltene Drehung der Polarisationsebene im allgemeinen sehr gering ist, was zu einem großen Faraday-Effekt im Gegensatz steht. Dies bedeutet einen geringen Gütefaktor dieser Materialien. Wie es in dem obigen Artikel beschrieben worden ist, ist es theoretisch ersichtlich geworden, daß der Faraday-Effekt eines Ferromagneten, der eine Bifringenz zeigt, zwar auftreten kann, daß aber eine sehr komprimierte Form wegen der Infringenz vorliegt.
Die Erfindung wird in den Beispielen erläutert. Darin werden Yttrium und seltene Erden-Eisen-Granate der allgemeinen Formel R3-xBixFe5-yAyO12 beschrieben, worin x im Bereich 0,2<x<2,0 und y im Bereich 0 < y < 5 liegt, R für mindestens ein Element aus der Gruppe Yttrium und Elemente der seltenen Erden steht und Ä ein Element bedeutet, welches durch Eisen austauschbar ist.
Die Versuchsproben wurden auf folgende Weise hergestellt: Ein Oxid von mindestens einem der Elemente, die den jeweiligen Eisen-Granat bilden, nämlich von Yttrium und/oder einem Element der seltenen Erden sowie Wismuthoxid und Eisenoxid, wurden entsprechend dem gegebenen Wert für x abgewogen. Die Materialien wurden zerkleinert, vermischt, vorgesintert, verpreßt und sodann heißgepreßt. Die Vorsinterung und das Heißpressen erfolgten in einer oxEierenden Atmosphäre.
Die Proben wurden nach dem Heißpressen durch Röntgenbeugung untersucht, um festzustellen, ob die erforderliche Eisen-Granat-Phase ausgebildet worden war. Die Probe wurde zu Plättchen zerschnitten, welche überlappt und verformt wurden. Sodann wurde der Faraday-Effekt und derLichtabsorptionskoeffizient gemessen.
Beispiel 1: Fig. 3 zeigt in den Kurven 7 und 8 die Beziehungen zwischen dem Gütefaktor (bei einer Wellenlänge von 0,54/u) und den Koeffizienten der Faraday-Drehung, und den Bruchteil (x) von Wismuth in einem Wismuth enthaltenden Xttrium-Eisen-Granat, dessen Zdsammensetzung durch die Formel Y3~xBixFe5012 (0,2 < x < 2) angegeben wird.
In Fig. 3 wird der Koeffizient der Faraday-Drehung in Grad/Decibel angegeben. Dies ist ein Wert, der erreicht wird, wenn die Magnetisierung fast gesättigt ist. Im Bereich von Wellenlängen, die größer als 0,54/u sind, werden sowohl der Koeffizient der Faraday-Drehung als auch der Vergatongsfaktor allmählich verringert. Bei Wellenlängen unterhalb 0,54u nimmt der Koeffizient der Faraday-Drehung zu, bis die Wellenlänge 0,5/u erreicht. Jedoch nimmt auch die Lic-htabsorption rasch zu, was dazu führt, daß der Gütefaktor abnimmt, jedoch allmählich gemäß Kurve 5 der Fig. 5, welche die Beziehung zwischen dem Gütefaktor und der Wellenlänge angibt.
Aus Fig. 3 wird ersichtlich, daß bei einem Material aus Xttrium-Eisen-Granat der Koeffizient der Faraday-Drehung mit steigender Bruchteilsmenge (x) Wismuth abnimmt. Wenn der Bruchteil von Wismuth über etwa 0,1 weiter erhöht wird, dann wird das-Vorzeichen des Koeffizienten der Faraday-Drehung umgekehrt. Wenn der Bruchteil des Wismuths weiter erhöht wird, dann nimmt der Koeffizient der Faraday-Drehung wieder rasch zu.
Die Erscheinung einer solchen Vozzeichenumwandlung kann nicht ohne weiteres aus Untersuchungen des Faraday-Effekts bei Yttrium und seltenen Erden-Eisen-Granat-Strukturen hergeleitet werden. Die Ergebnisse dieser Versuche deuten darauf hin, daß ein erheblicher Teil des Faraday-Effekts, welcher in der Gegend des sichtbaren Lichts in dem obigen Material aus Yttrium-Eisen-Granat ausgebildet wird, auf den Ersatz des Wismuths durch Yttrium zurückzuführen ist.
Aufgrund der Vorzeichenumkehrung des Faraday-Effekts sinkt der Gütefaktor einmal bis auf Null ab, was auf den Wismuthersatz zurückzuführen ist; wenn der Bruchteil (x) von Wismuth gering ist. Hierauf nimmt der Gütefaktor wieder rasch zu und geht auf bis mehr als 6 Grad pro Decibel hinauf, was bislang bei den magnetooptischen Materialien gemäß dem Stand der Technik noch nicht festgestellt worden ist. Der Effekt der hierin beschriebenen Wismuth-Substitution ist bei einem Bruchteil von Wismuth von mehr als 0,2 verfügbar, wo der Gütefaktor höher ist als mindestens 1 Grad pro Decibel. Wie aus Kurve 7 der Fig. 3 hervorgeht, beginnt der Gütefaktor abzunehmen, wenn x über 1,25 hinausgeht. Wenn x größer als 1,25 wird, dann tritt die zweite Phase anstelle der Granatphase auf (dies kann durch Röntgenuntersuchungen festgestelt werden). Aufgrund des Einflusses dieser zweiten Phase hört eine weitere Zunahme des Koeffizienten der Faraday-Drehung auf.
Es heißt, daß das Yttrium in dem YIG durch Wismuth bis zu x=1,5 ersetzt werden kann. Bei dieser Ausführungsform zeigte die Probe eine etwas höhere Zunahme des Koeffizienten der Faraday-Drehung. Der Lichtabsorptionskoeffizient erhöhte sich hierbei selbst dann nicht besonders stark, wenn der Bruchteil (x) von Wismuth auf oberhalb 1,5 erhöht wurde. Das Vorliegen der zweiten Phase wurde durch Röntgenuntersuchung beobachtet. -Sodann wurde gefunden, daß bei einem Ferromagneten, der den Faraday-Effekt verwertet, der Röntgenstrahlen-Peak der Granatphase niedrig ist, weil die Menge der zweiten Phase, wie sie durch Röntgenuntersuchungen festgestellt wird, offensichtlich groß ist. Es wurde weiterhin festgestellt, daß der Faraday-Effekt nicht mit steigendem Wert für x zunimmt, wenn x über 1,5 hinausgeht. Bei dieser oberen Grenze für x nimmt der Lichtabsorptionskoeffizient zu. Diese obere Grenze x=1,5 wurde experimentell bestimmt. Dieses Verhalten wurde bei den Proben für optische Modulierungseinrichtungen und magneto-optische Einrichtungen beobachtet.
Im Fall von magneto-optischen Speicherungseinrichtungen, wo das Vorhandensein einer zweiten Phase von großer Signifikanz ist, ist es notwendig, die Produktions prozesse zu verbessern und festzulegen, daß der v von x ziemlich gering ist.
Der Gütefaktor, welcher für dieses Beispiel erhalten wurde, ist derjenige eines gesinterte polykristallinen Materials, welches in der vorstehenden Weise hergestellt worden ist. Selbst in einem polykristallinen Material ist die erhältliche Faraday-Drehung größer als 95 % derjenigen eines einkristallinischen Materials, wenn ein solches polykristallines Material eine hohe Sinterungsdichte hat. Der Lichtabsorptionsko effizient ist in dem polykristallinen Material größer als in dem einkristallinischen Material. Ferner wird, je kleiner die Korngröße ist, der lichtabsorptionskoeffizient desto größer. Diese Tatsachen wurden bei vielen Proben von seltenen Erden-Eisen-Granaten experimentell bestätigt. Es kann daher mit Sicherheit gesagt werden, daß der erhältliche Gütefaktor bei einem polykristallinen Material kleiner ist als bei einem einkristallinischen Material. Es kann weiterhin gesagt werden, daß der Gütefaktor durch Herstellungsprozesse erhöht werden kann, welche dazu im Stande sind, die Korngröße zu erhöhen.
Der in Fig. 3 gezeigte Wert für den Gütefaktor sollte daher nicht als der Maximalwert des Gütefaktors angesehen werden, welcher bei dem als Probe verwendeten magneto-optischen Material erhältlich ist. Die Methode zur Herstellung dieser Proben, wie sie oben beschrieben wurde, ist nicht auf dieses Beispiel begrenzt.
Vielmehr kann jede beliebige Methode dazu verwendet werden, um die oben beschriebenen magneto-optischen Materialien herzustellen.
Es wurde ein typisches Beispiel beschrieben, bei welchem in einem Yttrium-Eisen-Granat das Yttrium durch Wismuth ersetzt wurde. Neben diesem Beispiel können Granat strukturen aus mindestens einem Element aus der Gruppe seltene Erden-Eisen-Granate (andere als Yttrium) und Yttrium oder seltene Erdmetalle verwendet werden, wobei das ausgewählte Element durch Wismuth ersetzt ist. Materialien von solcher Zusammensetzung können die gleichen Funktionen zeigen wie die vorstehend beschriebenen Yttrium-Eisen-Granate.
Beispiel 2: Fig. 4 zeigt in den Kurven 9, 10 und 11 die Abhängigkeit des Gütefaktors von der Wellenlänge bei einem Naterial aus einem seltenen Erden-Eisen-Granat der Formel Y3xBixFe5O12 (0,2< x < 2), wobei mindestens ein Teil von Y durch die seltenen Erdmetalle Gd und Yb substituiert worden ist im Vergleich zu einem Material mit der Zusammensetzung Y2,5Bi0,5Fe5O12 (beachte: Die Gütefaktoren sind der Einfachheit halber als Koeffizienten der Faraday-Drehung angegeben).
Aus den charakteristischen Kurven wird ersichtlich, daß der Gütefaktor eines seltenen Erden-Eisen-Granats der Zusammensezung R3 xBixFe5012, welcher sich von Y3 xBixFe5012 (0,2<x<2) durch Substitution von Y durch Gd und Y herleitet, fast der gleiche ist wie im Fall von Y3-xBixFe5O12. Diese Tendenz wird auch bei anderen Elementen der seltenen Erden wie Sm, Eu, Tb, Dy, Ho, Er, Tu und Lu beobachtet, wenn man sie anstelle von Gd und Yb als Substitutionselement für Y verwendet. Auch kann ein Material mit einer seltenen Erden-Eisen-Granat-Struktur mit dem gleichen Gütefaktor selbst dann realisiert werden, wenn diese Elemente der seltenen Erden zum Teil durch La, Ce, Pr oder Nd substituiert sind.
Beispiel 3: Fig. 5 zeigt die Beziehung zwischen dem Koeffizienten der Faraday-Drehung und dem Bruchteil (x) von Wismuth bei einer Wellenlänge von 0,54/u bei einem Material aus einem seltenen Erden-Eisen-Granat R3 XB 5012 (0,2c xc 2,0), wo Yb, Y, Gd und Sm als Element der seltenen Erden R ausgewählt sind. In Fig. 5 beschreiben die Kurven 12, 13, 14 und 15 die Charakteristiken von Yb3xBixFe5O12, Y3-xBixFe5O12, Gd3-xBixFe5O12 bzw.
Sm3-xBixFe5O12, wenn 0,2 < x < 2,0 ist. Jeder der Maximalwerte von x auf den einzelnen Kurven gibt die Grenze der festen Lösung des Wismuths gegen Jeden seltenen Erden-Eisen-Granat an. Wie in Fig. 5 gezeigt wird, nimmt der Koeffizient der Faraday-Drehung bei einer Steigerung des Ionenradius des seltenen Erdenelements in dem seltenen Erden-Eisen-Gitter in einer solchen Weise zu,daß i,o6 für Yb, 1,062 für Gd und 1,13i für Sm steht, was auf die Substitution des Wismuths zurückzuführen ist. Es wurde gefunden, daß einige seltene Erden-Eisen-Granate vorliegen, von denen die größte Menge durch Wismuth substituiert werden kann, oder für die die Grenze der festen Lösung des Wismuths ein Maximum einnimmt. Bei den Proben ist die Variierung der Grenze der festen Lösung des Wismuths nicht sehr groß, und die magneto-optischen Materialien gemäß der Erfindung zeigen in Jeder beliebigen seltenen Erden-Eisen-Granat-Struktur ausgezeichnete Eigenschaften, was im Gegensatz zc den bislang bekannten magneto-optischen Materialien steht.
Beispiel 4: it;s wird von der Annahme ausgegangen, daß das Eisen in einem Material, welches einen Yttrium und seltenen Erden-Eisen-Granat, welcher Wismuth enthält, umfaßt, durch andere Elemente ersetzt wird. In einem solchen Fall ist der Gütefaktor des ursprünglichen Materials geringer als bei einem Ersatz des Eisens. Jedoch ist dieser Gütefak tor immer noch größer als bei den bislang bekannten ferromagnetischen Materialien. Es wurde gefunden, daß ein solcher BrsatzEeine erhebliche Verminderung des Gütefaktors bewirkte (diese Art von Ersatz bzw. Substitution kann für bestimmte Anwendungszwecke erforderlich sein).
Die Substituenten bzw. Ersatzelemente für das Eisen in der vorbeschriebenen Granatzusammensetzung sind die folgenden Elemente, sowie Gemische von mindestens zwei dieser Elemente: V, Ti, Zr, Hf, Mg, Zn, Ga, In, Si, Ge, Sn, 9r, Mn, Co, Ni, Sc, Al etc.
Fig. 6 ist ein Diagramm, welches den Koeffizienten der Faraday-Drehung in Abhängigkeit von der Wellenlänge bei einem Yttrium-Eisen-Granat Y2Bi1Fe4 5Ga0, 0i 2 (Kurve 16), X2Bi4,5In0,5012 (Kurve 17) und Y2Bi1Fe4Co0,5Ge0,5O12 (Kurve 18) zeigt, wobei der Koeffizient der Faraday-Drehung in 104 Grad/cm-Einheiten im Bereich der sichtbaren Strahlung (0,5 bis 0,8/u - Wellenlängen) angegeben wird.
Bei Y3-xBixFe5-yAyO12 ist der Gütefaktor, wenn das Eisen durch andere Elemente ersetzt ist, kleiner als bei. der Zusammensetzung ohne einen Ersatz des Eisens (z.B. in Y3 xBixPe5012). Diese charakteristische Eigenschaft tritt nicht nur bei Y3-xBixFe5-yO12 auf, sondern auch bei R3-xBixFe5-yO12, wo das Yttrium durch andere Elemente der seltenen Erden ersetzt ist.
Beispiel 5: Fig. 7 zeigt die charakteristischen Kurven 19 und 20, welche die Beziehungen zwischen dem Bruchteil des Wismuths gegenüber Gd, den Gütefaktor und den Koeffizienten der Faraday-Drehung bei einem Gadolinium-Wismuth-Eisen-Granat der Zusammensetzung Gd3-xBixFe5O12 wiedergeben. Dieses Material wird als Beispiel für einen Yttrium- und seltenen Erden-Eisen-Granat angegeben, welcher Wismuth enthält und das durch die allgemeine Formel R3 xBixFe5012, wobei y = O ist, angegeben wird.
In Fig. 7 gibt die Abszisse den Wert für x, d.h. die substituierte Wismuthmenge, an. Die Ordinate gitt den Gütefaktor (ausgezogene Linie) bei einer Wellenlänge von 0,8/u und den Koeffizienten der Faraday-Drehung (gestrichelte Linie) wieder. Der Koeffizient der Faraday- Drehung und der Gütefaktor sind dem Bruchteil (x) des Wismuths proportional, bis x 1,5 erreicht. Bei einem Material der Zusammensetzung Gd3~xBixPe5012 kann kein Granat mit einer einzigen Phase gebildet werden, wenn x größer als 1,5 wird, da das Wismuth seine Grenze der festen Lösung bei x = 1,5 hat. Daher wird in diesem Fall mehr als eine zweite Phase durch Röntgenuntersuchungen festgestellt. Dies ist der Grund dafür, daß der Gütefaktor erniedrigt wird, wenn x größer wird als 1,5.
BeisPiel 6: Fig. 8 ist ein Diagramm des Vergutungsfaktors in einem Material der Zusammensetzung R3~xBixPe5~yAyO12 (allgemeine Formel), bei welchem für R Gd bei. x - 1 und Ga für A ausgewählt ist (es ergibt sich somit Gd2Bi1Fe5 y Gay012). Die charakteristische Kurve 21 gibt den Gütefaktor des Gadolinium-Wismuth-Eisen-Gallium-Granats bei einer Wellenlänge von 0,8/u an.
In Fig. 8 gibt die Abszisse den Wert für y, d.h. für die Menge des substituierten Galliums, und die Ordinate den Gütefaktor bei einer Wellenlänge von 0,8/u an. Bei diesem magneto-optischen Material wird das Vorzeichen des Faraday-Effekts bei einem Galliumbruchteil bei etwa 0,5 umgekehrt. Daher hat der in Fig. 8 gezeigte Gütefaktor seinen absoluten Wert. Der Koeffizient der Faraday-Drehung nimmt ab, wenn der Wert für y zunimmt, und wenn die Menge von Fe abnimmt. Zur gleichen Zeit nimmt der Lichtabsorptionskoeffizient ab. Als Ergebnis bleibt der Gütefaktor fast unverändert, bis der Wert für y in die Gegend von 1,0 kommt. Jedoch nimmt, wenn y über 1,0 hinausgeht, der Koeffizient der Faraday-Drehung im Vergleich zu der Abnahme des Lichtabsorptionskoeffizienten rasch ab, was zu dem Ergebnis führt, daß der Gütefaktor abnimmt.
Beispiel 7: Fig. 9 zeigt den Koeffizent der Faraday-Drehung in Abhängigkeit von der Wellenlänge bei einem Gadolinium-Eisen-Granat, welcher Wismuth enthält und der durch die Formel Gd3~xBixFe5012 angegeben wird, wobei 0,2<x<2,0 ist. In Fig. 9 zeigen die Kurven 22, 23 und 24 die charakteristischen Eigenschaften, wenn die Werte für x 0,5, 1,0 bzw. 1,5 sind. Diese magneto-optischen Materialien haben Koeffizienten der Faraday-Drehungen mit umgekehrten Vorzeichen gegenüber YIG. Der Wert des Koeffizienten der Faraday-Drehung ist bei einem Material, dessen Wert für x 1,0 ist, über der gesamten Gegend des sichtbaren Lichtes und des nahen Infrarots etwa 10-mal so groß wie derjenige von YIG. Der T-~htvbsorptronskoefM2ient ist ungefähr der gleiche wie bei YIG. Dagegen ist der Gütefaktor erheblich größer als für YIG, was in Fig. 2 gezeigt wird.
Beisiel 8: Fig. 10 ist ein Diagramm, welches die Beziehungen zwischen dem Koeffizienten der Faraday-Drehung und dem Bruchteil des Wismuths, welches anstelle der seltenen Erdeiielemente getreten ist, bei Yttrium-Wismuth-Eisen-Granat (Yb3-xBixFe5O12), Yttrium-wismuth-Eisen-Granat (Y3-xBixFe5O12) und Gadolinium-wismuth-Eisen-Granat (Gd3xBixFe5012), welche sich von einer allgemeinen Formel R3-xBixFe5O12 (y = O) herleiten, indem für R Ytterbium (Yb), Yttrium (Y) und Gadolinium (Gd) gesetzt wird.
In Fig. 10 zeigt die Abszisse den Wert für x, d.h.
die substituierte Menge des Wismuths, wahrend die Ordinate den Koeffizienten der Faraday-Drehung bei einer Wellenlänge von 0,8/u an gibt. Die Kurven 25, 26 und 27 zeigen die charakteristischen Eigenschaften, gemessen von Materialien der Zusammensetzung xb3xBixFe5Oi2, 3xBixFe5O12 und Gd3-xBixFe5O12.
Bei diesen Materialien nimmt der Koeffizient der Faraday-Drehung im Verhältnis zu dem Wert für x bis zu der Grenze der festen Lösung des Wismuths zu.
Die Beendigung jeder ausgezogenen Linie der Fig. 10 zeigt die Grenze der festen Lösung des Wisuniths für jedes Material an. Das bedeutet, daß in der allgemeinen Formel R3-xBixFe5-yAYO12 sich der Faraday~ Effekt und der Gütefaktor in der Gegend der nahen Infrarotstrahlung erheblich vergrößern können, ungeachtet welches Element für R aus Yttrium und der Elementen der seltenen Erden ausgewählt wird. Fur den gleichen Effekt der vorliegenden Erfindung kann auch für R eine Kombination von mehr als zwei Elementen verwendet werden.
Wie bereits beschrieben wurde, nimmt der Koeffizient der Faraday-Drehung bei einem Material aus Yttrium (das durch Wismuth ersetzt werden soll) und einem seltenen Erden-Granat der allgemeinen Formel R3xBixFe 5yAY012 mit umgekehrtem Vorzeichen und mit steigendem Anteil von Wismuth zu. Als Ergebnis' wird der Koeffizient der Faraday-Drehung in der Nachbarschaft von x = 0,1 Null. Dann wird, wenn x ungefähr 0,1 wird, der Gütefaktor Null, wie es in Fig. 2 gezeigt wird, bzw. der Gütefaktor in diesem Beispiel ist im Vergleich zu herkömmlichen Materialien nicht groß genlig.
Gerade in dem Bereich, wo x größer als 0,2 wird, wird der Gütefaktor des Materials dieses Beispiels im Vergleich zu herkömmlichen Materialien ausgeprägt groß.
Die Grenze der festen Lösung des Wismuths hängt von der Art des Substituenten R ab. Oberhalb der Grenze der festen Lösung tritt eine andere Phase als die Granatphase auf und der Gütefaktor wird niedriger, wie es in Fig. 2 gezeigt wird. Nichtsdestoweniger ist der Gütefaktor bei dem erfindungsgemäßen Material im Vergleich zu einem herkömmlichen Material groß, wenn der Wert von x innerhalb 2,0 liegt. Aus diesen Gründen ist bei einem Material der allgemeinen Formel X3 xBixPe5012 der Bereich von x als 0,2< x <2,0 definiert.
Die magneto-optischen Materialien gemäß dieser Erfindung bestehen daher im wesentlichen aus einem Yttrium und seltenen Erden-Eisen Granat, welcher Wismuth enthält, sowie seinen Derivaten, ausgedrückt durch die allgemeine Formel R3 xBixSe5012. Die erfindungsgemäßen Materialien zeigen selbst bei Raumtemperatur einen großen Faraday-Effekt und sie besitzen nicht nur im Bereich der sichtbaren Strahlen, sendern auch im Bereich der nahen Infrarotstrahlen einen ausgeprägt großen Gütefaktor.

Claims

Pat entans prüche

1. Magneto-optisches Material mit Granatstruktur und einer Zusammensetzung gemäß der allgemeinen Formel R3xBixFe5yAyOi2, wobei x im Bereich 0,2< xt2 und y im Bereich O < y<5 liegt, R für Yttrium und/oder Elemente der seltenen Erden steht und A ein Element bedeutet, welches durch Eisen austauschbar ist.

2. Magneto-optisches Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element A, welches durch Eisen austauschbar ist, V, Ti, Zr, Hf, Mg, Zn, Ga, In, Si, Ge, Sn, Or, Mn, Co, Ni, Sc und/oder Al ist.

3. Magneto-optisches Material mit Granatstruktur mit einer Zusammensetzung gemäß der allgemeinen Formel Y3-xBixFe5O12, worin x in dem Bereich 0,2 < x < 2,0 liegt und wobei mindestens ein Teil von y durch Ga, Yb, Sm, Eu, Tb, Dy, Ho, Er, Tu und/oder Lu ersetzt ist.

4. Magneto-optisches Material nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Elemente der seltenen Erden Ga, Yb, Sm, Eu, Tb, Dy, Ho, Er, Tu und Lu durch La, Ce, Pr und/oder Nd ersetzt ist

5. Magneto-optisches Material mit einer Granatstruktur und einer Zusammensetzung der allgemeinen Formel Y3-xBixFe5O12, worin x im Bereich 0,2< x<2 liegt.

6. Magneto-optisches Material mit einer Granatstruktur und einer Zusammensetzung gemäß der Formel Y2,5Bi0,5Fe5O12

7. Magneto-optisches Material mit einer Granatstruktur und einer Zusammensetzung der Formel Y2Bi1Fe4 5G+o 5012.

8. Magneto-optisches Material mit einer Granatstruktur und einer Zusammensetzung gemäß der Formel Y2Bi1Fe4Co0,5Ge0, 5012.

9. Magneto-optisches Material mit einer Granatstruktur und einer Zusammensetzung gemäß der allgemeinen Formel Gd3~xBixPe5012, worin x im Bereich 02<x<2 liegt.