DE2434251C2 - Einkristall auf der Basis von Gallium- Granat - Google Patents

Einkristall auf der Basis von Gallium- Granat

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Description

2. Einkristall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Formel 0,3 < 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.
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 0,5 ist
Die Erfindung wird nunmehr anhand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert
Beispiel 1
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
Tabelle
100 mm und einen Durchmesser
Gitterkonstante a0 beträgt 12,477 A.
Beispiel 2
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)

Patentansprüche:
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
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