DE2434481A1 - Feldnebenschluss fuer das feld magnetischer blasendomaenen - Google Patents

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17. Juli Gzt/Ra.

Rockwell International Corp., El Segundo, Kalifornien 90245

Feldnebenschluß für das Feld magnetischer Blasendomänen

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Verschiebung bzw. Bewegung magnetischer Einzelwand-(Blasen-)Domänen und insbesondere eine Anordnung j mittels der eine Verschiebung bzw. Bewegung von Blasendomänen mit Hilfe von Feldern bzw. Feldkräften in Blasendomänen enthaltenden Materialien hoher Magnetisierung möglich ist.

Typische gegenwärtig verwendete magnetische Granatmaterialien aus seltenen Erden erzeugen Blasendomänen mit einem Durchmesser, der beim Zusammenfallen bzw. Zusammenbruch ungefähr 2 bis 6 Mikron, d.h., 2 χ ±0~^J mm bis 6 χ 10 ^J mm beträgt. Um einen besseren Wirkungsgrad bzw. eine höhere Leistungsfähigkeit bei der Verwendung von Blasendomänen zur Speicherung und Übertragung von Informationen zu erzielen, sind Blasendomänenmaterialien, wie etwa amorphes GdCo und magnetische Granatzusammensetzungen aus seltenen Erden entwickelt worden, die Blasendomänen mit relativ kleinem Durchmesser aufnehmen können, der sogar beim Zusammenfallen unter Submikrongröße liegen kann. Die Magnetisierung derartiger Blasendomänen— materialien ist jedoch hoch (in der Größenordnung von mehreren

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tausend Örsted) verglichen mit der Magnetisierung vorher üblicher Granat-Blasendomänenmaterialien (ungefähr 200 Örsted). Dementsprechend ist das von den Blasendomänen erzeugte Magnetfeld stärker und übt einen entsprechend größeren Polarisierungseffekt auf die Pole der Fortschreitungselemente aus, die z.B. Y-Elemente oder T-Elemente sein können.

Ein starkes, in einer Ebene liegendes Antriebsfeld ist zur Überwindung der erhöhten Polarisation der Portschreitungselemente und zur Bewegung der in dem stark magnetisieren Material gebildeten Blasendomänen erforderlich. Das Erfordernis eines starken Antriebsfeldes macht die Auslegung der zugehörigen Antriebs- oder Treiberspulen und der entsprechenden Elektronik extrem schwierig.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, den Polarisierungseffekt von Blasendomänenmaterialien hoher Magnetisierung wesentlich zu reduzieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein aus hochpermeablem magnetischem Material bestehender FeIdnebensehluß für das Feld magnetischer Blasendomänen zwischen einer Schicht, in der magnetische Blasendomänen erzeugbar und verschiebbar sind, und einer musterartig angeordneten, die Fortschreitung der Blasendomänen-steuernden Schicht angeordnet ist. Der Nebenschluß verringert wesentlich den Polarisierungseffekt von Blasendomänen auf die Fortschreitungsschicht, so daß das für die Fortschreitung bzw. Verschiebung oder Bewegung der Blasendomänen erforderliche Antriebsfeld wesentlich schwächer sein kann. Der Blasendomänen-Nebenschluß

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eignet sich insbesondere zur Verwendung bei Blasendomänenmaterialien hoher Magnetisierung, wie z.B. amorphem GdCo, die zur Erzeugung relativ kleiner Blasendomänen (Blasendomänen mit Radien im Submikron-Bereich) verwendet werden.

Erfindungsgemäß ist ein Belag aus hochpermeablem magnetischem Material, wie.z.B. Permalloy, vorgesehen, um das von den Blasendomänen in dem Blasendomänenmaterial ausgebildete magnetische Feld auf einer Bahn nebenzuschließen, die sich im wesentlichen innerhalb des Belags befindet. Der Nebenschlußbelag reduziert die beträchtliche Polarisation, die Blasendomänen auf die Pole der unter Einwirkung von Feldkräften stehenden Fortschreitungselemente ausüben können. Durch Verringerung der Polarisation verhindert der Nebenschluß ein starkes Ansteigen des in der Ebene befindlichen AntrieTjsfeldes, das andernfalls erforderlich wäre, um in diesen Materialien hoher Magnetisierung ausgebildete Blasendomänen mit den Polen der magnetischen Fortschreitungselemente zu koppeln. Bei dem beispielhaften Permalloy-Nebenschluß ergibt eine Dicke von annähernd 500-1000 A* einen angemessenen Nebenschluß bei Materialien hoher Magnetisierung, wie z.B. bei GdCo-Zusammensetzungen oder Granatzusammensetzungen aus seltenen Erden, die in der Lage sind, kleine Blasendomänen, vorzugsweise von Submikrongröße, aufzunehmen.

Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. .

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Es zeigen:

Fig. 1 eine Querschnitts-Teilansicht eines Aufbaus des Standes der Technik zur Erzeugung und Verschiebung von Blasendomänen, der die Polarisation eines Fortschreitungselementes durch das magnetische Feld einer Blasendomäne veranschaulicht,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer typischen aus T-Elementen bestehenden Fortschreitungsbahn, die in Blasendomaneneinrichtungen verwendet wird,

Fig. 3 eine Querschnitts-Teilansicht eines Aufbaus zur Erzeugung und Verschiebung von Blasendomänen, der den erfindungsgemäßen Feldnebenschluß aufweist,

Fig. 4 eine Quersehnittsansicht einer Anordnung aus einer zylindrischen Blasendomäne in einem Blasendomänenaufbau und einem Nebenschluß, die zur Analyse des erfindungsgemäßen Feldnebenschlusses für das Feld von Blasendomänen dienen kann, und

Fig. 5 das äquivalente magnetische Ersatzschaltbild für die Anordnung nach Fig. 4.

In der Beschreibung und der Zeichnung sind gleiche Komponenten mit gleichen Bezugszahlen versehen.

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In Fig. 1 ist eine Querschnitts-Teilansicht eines Aufbaus oder einer Zusammensetzung 10 des Standes der Technik gezeigt, die eine Schicht 11 aus Blasendomänenmaterial, üblicherweise ein magnetisches Granatmaterial aus seltenen Erden oder amorphes metallisches GdCo, aufweist, die bei Vorhandensein eines Vorspannfeldes Hg in sich Blasendomänen 12 ausbildet bzw. erzeugt. Der Aufbau 10 weist auch eine nicht magnetische Schutzschicht 13 auf, die auf der Blasendomänenschicht 11 ausgebildet ist und üblicherweise aus einem elektrisch isolierenden Material, wie z.B. SiO₂, besteht. Eine musterartig angeordnete Schicht aus Fortschreitungselementen, einschließlich des Elementes 14, ist auf der Schutzschicht 13 verteilt und wird von ihr getragen. Das in Fig. 1 gezeigte Fortschreitungselement 14 stellt ein stabartig geformtes Element dar, das aus hochpermeablem Material, wie z.B. Permalloy, besteht. Die stabartige Konfiguration des Elementes 14 dient lediglich zur Veranschaulichung, da derartige Fortschreitungsmuster üblicherweise aus Kombinationen von Elementen verschiedenartigster Formen bestehen.

In Fig. 2 sind stabartig und T-förmig ausgebildete Elemente 14 bzw. l6 dargestellt, die zusammen ein T-förmiges Fortschreitungsmuster 17 bilden. Dieses Muster ist typisch für viele Fortschreitungsbahnen oder -wege und kann in Verbindung mit den in den Fig. 1 und 3 gezeigten Blasendomänenstrukturen verwendet werden.

Bezug nehmend auf Fig. 1, ist der Radius einer Blasendomäne 12 in einer dünnen einachsigen Schicht 11 eines Blasendomänenmaterials der Höhe h beim Zusammenfallen gegeben durch:

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r = *L

wobei M die Sättigungsmagnetisierung des Blasendomänenmaterials und (J^ die ¥andenergie sind. Wie zu erkennen ist, kann der Radius der Blasendomäne 12 (bei Annahme einer bestimmten festen Wandenergie) durch Verminderung der Höhe h und/oder Steigerung der Sättigungsmagnetisierung M verringert werden. Die Höhe h muß jedoch relativ zu r einen festen Wert annehmen, um eine maximale Stabilität für die Blasendomäne 12 zu erzielen. Dementsprechend besteht der einzige praktische Weg zur Reduzierung von r in einer Steigerung von M. Anders ausgedrückt, es ist zur Erzielung einer höheren Informationsspeicherdichte durch Verringerung der radialen Abmessungen von Blasendomänen erforderlich, die Sättigungsmagnetisierung des Blasendomänenmaterials il zu steigern.

Übliche magnetische Granat-Blasendomänenmaterialien des Standes der Technik nehmen Blasendomänen mit Durchmessern von ungefähr 2 bis 6 Mikron, also 2 χ 1O~^J mm bis 6 χ 10 mm, auf (die im folgenden als 2 bis 6 Mikron-Blasendomänen bezeichnet sind). Neuartige Blasendomänenmaterialien, wie das bereits erwähnte amorphe metallische GdCo-Material, sind in der Lage, Blasendomänen zu bilden, deren Radius ein Mikron oder ein wenig geringer als ein Mikron ist (im folgenden als Submikron-Blasendomänen bezeichnet).

Die Sättigungsmagnetisierung derartiger Submikron-Blasendomänenmaterialien ist jedoch relativ groß,verglichen mit

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derjenigen von 2 bis 6 Mikron-Blasendomänenmaterialien. Das Ergebnis dieser relativ starken Magnetisierung ist schematisch in Fig. 1 dargestellt. Unter der Annahme, daß ein Vorspannfeld JtL, an die Blasendomänenschicht Ii angelegt wird, um eine oder

mehrere Blasendomänen 12 auszubilden bzw. zu erzeugen, und daß ein Drehfeld H_R dann in der Ebene der Blasendomänenschicht angelegt wird, polarisiert das Feld des magnetischen Kraftflusses der Blasendomänen die Fortschreitungselemente, wie z.B. das stabartig ausgebildete Element 14. Bei der in Fig. veranschaulichten Situation wird aufgrund des Polarisierungs-. effektes des Blasendomänenfeldes versucht, in dem Pol 18 des Elementes 14 eine Polarität zu erzeugen, die entgegengesetzt zu der Polarität eines nächstliegenden Poles 19 der Blasendomäne 12 ist. Aufgrund der großen Sättigungsmagnetisierung der Submikron-Blasendomänen, bezogen auf 2 bis 6 Mikron-Blasendomänen, können die Submikron-Blasendomänen die Fortschreitungselemente, wie z.B. das Element 14, wirksamer magnetisieren. Als Ergebnis muß das magnetische Antriebsfeld Hp, das erforderlich ist, um den Pol 18 zu überwinden und eine Submikron-Blasendomäne 12 zu bewegen, beträchtlich im Vergleich zu dem Antriebsfeld erhöht werden, das erforderlich ist, um 2 bis 6 Mikron-Blasendomänen zu bewegen (ungefähr 30 Örsted).

Gegenwärtig erfordern 2 bis 6 Mikron-Blasendomänen 4 77 M-Werte von ungefähr 150 bis 250 Örsted, während Submikron-Blasendomänen üblicherweise Werte erfordern, die ungefähr zehnmal höher sind, nämlich 1000 bis 2000 Örsted. Da das von einer Blasendomäne erzeugte Feld selbst in der Größenordnung von 4/7 M ist, übt eine Submikron-Blasendomäne dann annähernd die zehnfache Wirkung bei der Polarisierung der Elemente eines unter der Ein-

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Wirkung von Feldkräften stehenden Fortschreitungsmusters aus wie eine 2 bis 6 Mikron-Blasendomäne. Eine Vergrößerung der Trennung zwischen der Blasendomänenschicht 11 und den Elementen des Fortschreitungsmusters, wie z.B. dem T-Element der Muster 17 (Fig. 2), etwa durch Erhöhung der Dicke der Schicht 13, zeitigte jedoch bei der Verringerung der Polarisation der Elemente unglücklicherweise nur eine begrenzte Wirkung. Das heißt, bei stärkerer Trennung werden die diskreten Eigenschaften (im Abstand angeordnete entgegengesetzte Pole) des Permalloy-Musters aus der Sicht der Blasendomänen 12 verringert, und die Wirkung des Antriebsfeldes zur Verschiebung bzw. Bewegung der Blasendomänen wird herabgesetzt. Die übliche Lösung zur Überwindung der Polarisation der Fortschreitungselemente besteht somit in einer Verstärkung des Antriebsfeldes. Diese Lösung erfordert jedoch eine Erhöhung des Antriebsfeldes, die vergleichbar mit den 4 77M-Werten (mehrere tausend Örsted für Submikron-Blasendomänenmaterialien) des Blasendomänenmaterials ist. Eine derartige Steigerung der magnetischen Feldstärke erschwert die Auslegung der Treiberspulen und der zugehörigen Elektronik in extremem Maße.

Wie Fig. 3 zu entnehmen ist, werden erfindungsgemäß die Auswirkungen von Submikron-Blasendomänen 12 auf die Polarisierung von magnetischen Fortschreitungselementen, wie z.B. auf das Element 14, verringert und starke Erhöhungen des Antriebsfeldes H_R unnötig gemacht, indem ein Nebenschluß 21 aus magnetisch hochpermeablem Material, wie z.B. Permalloy, zwischen dem Blasendomänenmaterial 11 und den Fortschreitungselementen angeordnet wird. Der Nebenschluß 21 ergibt einen vorteilhaften Verlauf für das magnetische Feld der Blasendomänen 12 und

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reduziert das Streufeld der Blasendomänen auf einen Bruchteil des ursprünglichen k?! M-Wertes. Die Wirkung des Nebenschlusses 21 besteht darin, daß er im wesentlichen den von den Blasendomänen 12 ausgehenden magnetischen Kraftfluß kurzschließt und das Auftreffen des magnetischen Kraftflusses auf die Fortschreitungselemente reduziert.

Der Blasendomänen-Feldnebenschluß 21, wie er in Fig. 3 dargestellt ist, kann durch verschiedene bekannte Verfahren ausgebildet werden. Zum Beispiel kann der Nebenschluß 21 auf die Blasendomänenschicht 11 aufgesprüht werden. Dann können die Schutzschicht 13 und das Fortschreitungsmuster 17 auf dem Nebenschluß 21 durch Aufdampfen und photolithographische oder andere geeignete Verfahren aufgebracht werden.

Der Nebenschluß 21 braucht nicht direkt auf der Blasendomänenschicht 11 angeordnet werden, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Zum Beispiel kann eine untere isolierende Schicht direkt auf einer Blasendomänenschicht aufgebracht werden, und ein Nebenschluß kann dann zwischen der unteren isolierenden Schicht und einer oberen isolierenden Schicht, die die Fortschreitungselemente trägt, angeordnet werden. Das heißt, eine weitere Schicht aus isolierendem Material kann zwischen die Schichten 11 und 21 der in Fig. 3 dargestellten Struktur 10 eingefügt werden, wie es durch die gestrichelte Linie 22 dargestellt ist.

Auch kann ein anderes Material als Permalloy für den Blasendomänen-Feldnebenschluß verwendet werden. Es kann z.B. wünschenswert sein, den Blasendomänen-Feldnebenschluß in die

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Blasendomänenschicht einzuschließen, indem die Zusammensetzung eines dünnen Bereiches nahe der oberen Oberfläche der Schicht geändert wird. Dies trifft insbesondere für Blasendomänenmaterialien, wie z.B. GdCo zu, in welchem Falle der Nebenschluß 21 ein Bereich aus Co sein kann, der nahe der oberen Oberfläche der Blasendomänenschicht 11 als Teil dieser Schicht bei der Herstellung der Blasendomänenmaterialschicht ausgebildet werden kann.

Üblicherweise ist die Nebenschlußbahn ganz dünn. Die für den Blasendomänen-Nebenschluß 21 zutreffenden Erfordernisse können jedoch auch durch Betrachtung des in Fig. 4 dargestellten Modells 23 einer magnetischen Blasendomäne 12 bestimmt werden, die von der die magnetische Nebenschlußschicht 21 tragenden Schutzschicht 13 bedeckt wird.

Im wesentlichen kann der von der zylindrischen Blasendomäne 12 ausgehende magnetische Fluß zwei Wege nehmen, um zu der Blasendomänenschicht 11 zurückzukehren. Ein Weg verläuft durch den hochpermeablen Nebenschluß 21, der andere durch die umgebende Luft. Ein äquivalentes magnetisches Ersatzschaltbild 24 für das Blasendomänenmodoll 23 1st in Fig. 5 gezeigt. Wird angenommen, daß der magnetische Widerstand It₁ der Schutzschicht 13 annähernd Null ist, und wird der magnetische Widerstand der Luft mit R. und der magnetische Widerstand der Nebenschlußwege mit R_g bezeichnet, so ist der magnetische Gesamtwiderstand R™ der gesamten Nebenschluß- und Luftwege annähernd:

^RA

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Der gesamte magnetische Kraftfluß ist gegeben durch:

0_T =

wobei P_T die gesamte magnetomotorische Kraft des äquivalenten magnetischen Ersatzschaltbildes 24 ist. Der gesamte magnetische Kraftfluß 0_T kann auch durch

dargestellt werden, wobei 0. der magnetische Kraftfluß im Luftweg und 0_S der magnetische Kraftfluß im Nebenschluß ist.

Wenn R_A » R_g ist, so ist Q_s >)> Q» ^{und im} wesentlichen der gesamte Kraftfluß folgt dem von dem Nebenschluß gebildeten Weg. Da Ro der Permeabilität und der Dicke des Nebenschlusses 21 proportional ist, kann somit das Material des Nebenschlusses und/oder dessen Dicke zur Steuerung von R^ in Bezug auf R. variiert werden, so daß damit das magnetische Feld der Blasendomäne 12 und die Polarisierung der magnetischen Fortschreitungselemente durch das Blasendomänenfeld gesteuert werden. Bei Blasendomänen von Submikrongröße zwingt ein Permalloy—Nebenschluß 21 mit einer Dicke von ungefähr 500 bis 1000 A* im wesentlichen den gesamten Blasendomänen-Kraftfluß in den Nebenschluß. Somit verhindert der Nebenschluß 21 wesentliche Erhöhungen des Antriebsfeldes, die andernfalls für Submikron-Blasendomänen erforderlich wären. Dies wird vor allem erreicht, ohne die

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Beweglichkeit der Blasendomänen nachteilig zu beeinflussen.

Erfindungsgemäß wird somit ein Blasendomänen-Feldnebenschluß und ein diesen Nebenschluß aufweisender Blasendomänenaufbau offenbart, die die Verwendung von Materialien hoher Magnetisierung, die sich zur Bildung kleiner Blasendomänen von sogar Submikrongröße eignen, ohne starke Erhöhungen der Blasendomänen-Antriebsfelder gestatten.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   . 1.)Vorrichtung aus magnetischen Materialien, in der magnetische Blasendomänen erzeugbar und bewegbar sind, gekennzeichnet durch eine erste Schicht aus Blasendomänenmaterial, durch eine zweite, von der ersten Schicht getragene Schicht aus musterartig angeordnetem magnetischem Material hoher Permeabilität zur Verschiebung oder Bewegung von Blasendomänen in der ersten Schicht bei Anlegen eines zyklisch veränderlichen Magnetfeldes im wesentlichen parallel zu den Schichten, und durch einen Blasendomänen-Feldnebenschluß, der aus einer Schicht magnetischen Materials hoher Permeabilität besteht, die zwischen der ersten und der zweiten Schicht angeordnet ist.

   2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Nebenschluß eine Schicht aus Permalloy ist und eine Dicke von annähernd 500 bis 1000 Ä* aufweist.

   3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Nebenschluß eine im wesentlichen gleichförmige Dicke aufweist und sich über im wesentlichen die gesamte aktive Fläche der ersten Schicht erstreckt.

   h. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Nebenschluß direkt auf der ersten Schicht ausgebildet ist, und daß eine dritte Schicht aus nicht magnetischem Material zwischen dem Nebenschluß und der zweiten Schicht angeordnet ist.

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   5. Vorrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Nebenschluß von der ersten und der zweiten Schicht durch Schichten eines nicht magnetischen Materials getrennt ist.

   6. Vorrichtung aus magnetischen Materialien, in der Blasendomänen erzeugbar und bewegbar sind, mit einer Schicht aus Blasendomanenmaterial und einer Schicht aus magnetisierbaren Fortschreitungselementen angrenzend zu der Blasendomänenschicht, gekennzeichnet durch einen Nebenschluß zur Verminderung des Polarisationseffektes von Blasendomänen in der Blasendomänenschicht auf die magnetischen Portschreitungselemente, wobei der Nebenschluß eine Schicht aus magnetischem Material hoher Permeabilität aufweist, die zwischen der Schicht des Blasendomänenmaterials und der Schicht der magnetisierbaren Fortschreitungselemente angeordnet ist.

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