DE2434251C2 - Einkristall auf der Basis von Gallium- Granat - Google Patents
Einkristall auf der Basis von Gallium- GranatInfo
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Description
2. Einkristall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Formel 0,3
< x£ 0,5 ist
3. Verwendung eines Einkristalles nach den Ansprüchen 1 oder 2 als Substrat für epitaktische
magnetische Granatschichten für magneto-optische Informationsspeicher oder Displays.
Die Erfindung bezieht sich auf einen Einkristall auf der Basis von Gadolinium/Samarium/Neodym-Gallium-Granat.
Derartige Einkristalle werden üblicherweise als lange Stäbe aus einer Schmelze gezüchtet, z. B. nach einem in
»Solid State Communications«, 2 (1964), Seiten 229—231, beschriebenen Verfahren. Anschließend werden
von diesen Stäben Einkristallscheiben gewünschter Dicke abgeschnitten.
Granateinkristalle AJ+BI+Oi2, insbesondere solche
aus Gadolinium-Gallium-Granat Gd3Ga5Oi2 mit einer
Gitterkonstante ao von 12,382 A, werden vorzugsweise als Substrate von z. B. 0,8 mm Dicke für magnetische
Speichermaterialien in der sogenannten Magnetblasentechnik (Informationsspeichertechnik unter Verwendung
mobiler magnetischer Zylinderdomänen) benutzt (vgl. IEEE Trans. Mag-7 (1971), S. 404). Auf diesen
Substratkristallen läßt man bekanntlich in einem Flüssigphasen- oder Gasphasen-Epitaxieprozeß dünne
magnetische Granatschichten (Speichermaterial) von einigen μηι Dicke, z. B. 5 μπι, aufwachsen. Solche
Granatschichten können nur dann mit der erforderlichen Störungsfreiheit und Perfektion auf dem vorgegebenen
Substrat aufwachsen, wenn Substrat und epitaktische Schicht nahezu die gleiche kristallographische
Gitterkonstante besitzen. Für die Informationsspeichertechnik nach dem magneto-optischen Speicherverfahren
unter Verwendung des magneto-optischen Faraday-Effektes zum Auslesen der Information (vgl. J.
Appl. Phys. 40 (1969), S. 1429-1435) kann man bekanntlich den Gütefaktor des Speichermaterials,
vorzugsweise von Gadolinium-Eisen-Granaten, beträchtlich erhöhen, wenn man eine genügende Menge
Wismut in das Speichermaterial einbaut, was eine wesentliche Erhöhung der Faraday-Drehung bewirkt
(DE-OS 23 49 348). Da der Einbau von Wismut die Gitterkonstante vergrößert, muß in diesem Falle auch
ein Substrat mit entsprechender Gitterkonstante ao, vorzugsweise in der Nähe von 12,48 A, verwendet
werden.
Bisher ist man zu diesem Zwecke von Neodym-Gallium-Granat Nd3Ga5Oi2 (ao=12,5O6 A) oder entsprechenden
Mischkristallen von Nd3Ga5On mit Samarium-Gallium-Granat
Sm3Ga5O12 ^a0= 12,439 A) ausgegangen
(IEEE Trans. Mag-7 (1971), S. 404-409). Als Substrate für magneto-optische Speichermaterialien
sind diese Mischkristalle infolge ihrer Eigenfärbung und der dadurch bewirkten Verringerung des Gütefaktors
nicht verwendbar. Außerdem zeigen sie die den üblichen Mischkristallen infolge ihrer von eins abweichenden
Verteilungskoeffizienten eigenen Nachteile bei der Kristallhersteilung z.B. nach dem Czochralski-Züchtungsverfahren
(»Journal of Crystal Growth« 9 (1971), S. 249), daß sich die Zusammensetzung des gezüchteten
Einkristalles über seine Länge ändert, so daß die daraus
geschnittenen dünnen Substratscheiben unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, im sichtbaren Spektralbereich gut transparente Granat-Substrateinkristalle
herzustellen, deren Gitterkonstante sich linear mit der Zusammensetzung ändert, so daß für
jede Schichtzusammensetzung des epitaktisch aufgewachsenen magneto-optischen Speichermaterials ein
Substrat mit geeigneter Gitterkonstante zur Verfügung steht
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einem Einkristall eingangs erwähnter Art dadurch gelöst, daß
der Granat der Zusammensetzung
A3 1+, BJ+Ga5-!, Cr O12
entspricht, worin
A = Gadolinium, Samarium oder Neodym,
B= Kalzium, Strontium oder Magnesium,
C = Zirkon oder Zinn und 0,2 < x< 0,8 ist.
B= Kalzium, Strontium oder Magnesium,
C = Zirkon oder Zinn und 0,2 < x< 0,8 ist.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß man
bei Gadolinium/Samarium/Neodym-Gallium-Granaten durch gekoppelten Ersatz der Kationen im Granatgitter
durch kleinere oder größere 2- und 4wertige bzw. 1- und 5wertige Kationen zu einer linearen Vergrößerung oder
Verkleinerung der Gitterkonstante ao kommen kann. Dies ist in der Figur für die Verbindung
GdJ-^Ca1Ga5-JrZr1Oi2 dargestellt, in der die Gitterkonstante
ao über der Konzentration χ von Ca2+ bzw. Zr4+
dargestellt ist. Hieraus geht hervor, daß die Gitterkonstante ao linear von 12,382 A für Gd3Ca5Oj2 bis zu 12,513
für Gd212CaCgGa^ZrOaOi2 ansteigt. Die zuletzt genannte
Zusammensetzung bildet den Grenzmischkristall. Höhere Ca/Zr-Gehalte lassen sich praktisch nicht in das
Gitter einbauen.
Für die technische Verwendung dieser Mischeinkristalle als Substrat ist es wichtig, daß bei der Züchtung
die Zusammensetzung und damit die Gitterkonstante der Kristalle zwischen Wachstumsbeginn und Wachstumsende
nahezu gleich ist Dies ist nur dann zu erreichen, wenn der Verteilungskoeffizient zwischen
Kristall und Schmelze eins oder nahezu eins ist Unterhalb von *=0,2 in der obigen Formel ist der
Verteilungskoeffizient so gering, daß die Ausbeute an
brauchbaren Substrateinkristallscheiben für die Praxis zu klein ist.
Durch geeignete Auswahl der Konzentration der Mischpartner ist es jedoch möglich, einen Verteilungskoeffizienten von 1 oder nahezu 1 zu erreichen. Gute
Werte lassen sich insbesondere bei Ca/Zr-Einbau erzielen, wenn in der Formel 0,3 S x£ 0,5 ist
Die Erfindung wird nunmehr anhand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert
io
Züchtung eines
Die Ausgangssubstanzen (159,9 g Gd2O3, 151,3 g
Ga2O3,22,0 g CaCO3 und 26,6 g ZrO2) werden gemischt,
in Zylinderform gepreßt und bei 14000C in O2-Atmosphäre
geglüht Anschließend wird der Sinterkörper in einem induktiv beheizten Iridiumtiegel bei ca. 1800° C in
e'ner abgeschlossenen Kristallziehapparatur geschmolzen.
Durch die Apparatur wird ein Gasgemisch bestehend aus 99% Stickstoff und 1% Sauerstoff
geleitet Als Impfkristall dient ein zylinderförmiger Einkristallstab aus Gadolinium-Gallium-Granat Der
Ziehprozeß wird in bekannter Weise nach dem Czochralski-Verfahren durchgeführt. Die Ziehgeschwindigkeit
beträgt 2,5 mm/h, die Rotationsgeschwindigkeit 40 U/min. Die Kristalle haben eine Länge von
100 mm und einen Durchmesser
Gitterkonstante a0 beträgt 12,477 A.
Gitterkonstante a0 beträgt 12,477 A.
Beispiel 2
Züchtung eines Sm2^Sr
Züchtung eines Sm2^Sr
von 22 mm. Ihre
Als Ausgangssubstanzen wurden 74,46 g Sm2O3,
4,12 g SrCO3, 3,76 g ZrO2 und 68,62 g Ga2O3 benutzt
Vorbereitung und Durchführung der Züchtung erfolgte nach dem gleichen Verfahren -wie im ersten Ausführungsbeispiel.
Die Gitterkonstante ao des so gezüchteten Einkristalls beträgt 12,460 A.
In der nachfolgenden Tabelle sind die Gitterkonstanten ao von Gallium-Granaten der Zusammensetzung
15 in Abhängigkeit vom Wirtgitter, der Gastphase und
ihrer Konzentration angegeben.
A3+ | B2+ | C4+ | χ | 0,2 | 0,4 | 0,6 | 0,8 |
0,0 | 12,372 | 12,368 | 12,365 | 12,362 | |||
Gd | Mg | Zr | 12,414 | 12,444 | 12,477 | 12,513 | |
Ca | Zr | 12,382 | 12,420 | 12,465 | - | - | |
Sr | Zr | 12,460 | 12,498 | 12,510 | 12,535 | ||
Sm | Ca | Zr | 12,460 | 12,516 | - | - | |
Sr | Zr | 12,439 | 12,455 | 12,506 | - | - | |
Sr | Sn | 12,525 | 12,545 | 12,565 | - | ||
Nd | Ca | Zr | 12,533 | 12,569 | - | - | |
Sr | Zr | 12,506 | 12,520 | 12,535 | - | — | |
Ca | Sn | ||||||
Die Einkristalle nach der Erfindung eignen sich insbesondere als Substrat für epitaktische magnetische
Granatschichten für magneto-optische Informationsspeicher oder Displays.
Zur Herstellung der magnetischen Granatschichten (Speicherschichten) werden nach bekannter Technik
(vgl. Appl. Phys. Lett 19 (1971), S. 486-488, und Journal
of Cryst. Growth 17 (1972), S. 322—328) unmagnetische Substrateinkristallscheiben nach der Erfindung, z. B. aus
Gd2.4Cao,6Ga4.4Zro,60i2, in eine schmelzflüssige Lösung
getaucht und nach dem Flüssigphasen-Epitaxieprozeß Granatschichten z. B. der Zusammensetzung
(GdBi)3(FeAlGa)SOi2 von etwa 5 μΐη Dicke aufgewachsen.
Für die Anwendung als magneto-optisches Speichermaterial werden diese Granatschichten strukturiert, so
daß isolierte quadratische Inseln mit einer Kantenlänge von z. B. 10 μπι entstehen. Zum Einschreiben der
Information werden diese quadratischen Inseln mit einem Laserstrahl angesteuert; infolge der damit
verbundenen Erwärmung der Schicht wird unter gleichzeitiger Einwirkung eines äußeren magnetischen
Schaltfeldes die Richtung der Magnetisierung in diesen Inseln umgepolt (vgl. Appl. Phys. Lett. 20 (1972), S.
451 -453, und P'hys. stat. sol. (a) 17 (I973). S. 175-179).
Die beim Auslesen des Informationszustandes eines
magneto-optischen Speichers angewandte Technik ( = Nutzbarmachung des magneto-optischen Faraday-Effektes)
kann natürlich auch für optische Displaysysteme nutzbar gemacht werden. So ist ein Magnetblasendisplay
vom Projektionstyp bekannt (vgl. IEEE Trans. MAG-7 (1971), S. 370 bis 373), bei dem ebenfalls zur
Erhöhung des Bildkontrastes eine beträchtliche Substitution von z. B. Selten-Erdion pro Forme'.einheit durch
Wismut erforderlich ist, was die bereits beschriebenen Probleme mit sich bringt und die Notwendigkeit eines
Subrtrates mit erhöhter Gitterkonstante und geringer optischer Absorption im sichtbaren Spektralbereich
bedingt.
eo
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
1. Einkristall auf der Basis von Gadolinium/Samarium/Neodym-Gallium-Granat,
dadurch gekennzeichnet, daß der Granat der Zusammensetzung
entspricht, worin
A = Gadolinium, Samarium oder Neodym,
B = Kalzium, Strontium oder Magnesium,
C= Zirkon oder Zinn und 0,2 SxS 0,8 ist
B = Kalzium, Strontium oder Magnesium,
C= Zirkon oder Zinn und 0,2 SxS 0,8 ist
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