DE2434481C3 - Magnetische Blasendomänenanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine magnetische Blasendomä- w> nenanordnung mit einer ersten Schicht aus Blasendomänenmaterial, in der durch Einwirkung eines senkrecht zur Schicht gerichteten Magnetfeldes Blasendomänen erzeugbar sind, mit einer zweiten, musterartig angeordneten Schicht aus magnetisch hochpermeablem Male- h^r> rial zur selektiven Verschiebung magnetischer Blasendomänen in der ersten Schicht bei Anliegen eines in der Schichtebene rotierenden Magnetfeldes, und mit einer zwischen der ersten und der zweiten Schicht angeordneten dritten Schicht aus nichtmagnetischem Isolationsmaterial.

Eine derartige magnetische Blasendomänenanordnung ist aus einer Veröffentlichung in der Internationalen Elektronischen Rundschau 1973, Nr. 12, Seiten 267 bis 269 bekannt, in welcher ein sogenannter Domänentransportspeicher beschrieben wird.

Ferner ist aus der FR-PS 21 32 280 eine ähnliche Blasendomänenanordnung aus einem Substrat, eine· auf dem Substrat angeordneten Schicht aus Blasendomänenmaterial und einer über dieser befindlichen musterartigen Schicht zur Verschiebung der Blasendomänen bekannt Diese Blasendomänenanordnung weist weder Abstandsschichten noch sonstige Schichten auf und veranschaulicht insbesondere die jeweiligen Positionen, die eine Blasendomäne bei einer solchen Anordnung einnehmen kann.

Des weiteren ist einer Veröffentlichung in der Zeitschrift IBM Techn. Disci. Bull. VoL 14, Nr. 6, November 1971, Seite 1850 zu entnehmen, daß hartmagnetische Permalloyschichten sich gut für auf Blasendomänenschichten aufzubringende Vormagnetisierungsschichten, d. h. für den Aufbau eines Vormagnetisierungsfeldes für eine Blasendomänenanordnung, eignen.

Darüber hinaus hat die ältere deutsche Patentanmeldung P 23 52 405.2-33 eiiie aus drei Schichter«, nämlich einer nichtmagnetischen Granatschicht, einer magnetischen Granatschicht und einer ferromagnetischen polykristallinen Metallschicht, bestehende Blasendomänenanordnung zum Gegenstand, bei der durch die sogenannte Austauschkopplung zwischen der Magnetisierung der magnetischen Granatschicht und der Metallschicht die Entstehung »harter« Blasendomänen im Durchmesserbereich von etwa 3 bis 13 μπι verhindert werden soll. Ohne die nur als Basis dienende nichtmagnetische Schicht handelt es sich somit um eine einfache Zwei-Schichten-Anordnung aus einer Blasendomänenschicht und einer Metallschicht, deren Aufgabe in der erwähnten Verhinderung der Entstehung sogenannter »harter« Blasendomäner; im üblichen Durchmesserbereich besteht.

Die Blasen- oder Zylinderdomänen, mit denen bei diesen bekannten Blasendomänenanordnungen für praktische Anwendungen im Bereich der Datenspeicherung und Datenübertragung gearbeitet wird, weisen derzeit in der Regel einen Durchmesser von 2 bis 6 μίτι auf. Zur Erzielung einer höheren Informations-Pakkungsdichte wird jedoch eine Verkleinerung des Blasendomänendurchmesscrs unter »Submikrongröße«, d. h. unter den Wert 1 μηι, angestrebt. Hierzu ist eine im Vergleich zu üblichen Durchmesserwerten wesentlich höhere — nämlich etwa die zehnfache — Magnetisierung der für die erste Schicht aus Blasendomänenmaterial dann in Frage kommenden Granatmaterialien aus seltenen Erden oder amorphem GdCo erforderlich, wodurch sich auch das von den ßlasendomänen selbst erzeugte Magnetfeld und damit der in den einzelnen Verschiebungselementen der musterartig angeordneten hochpermeablen zweiten Schicht hierdurch auftretende unerwünschte Polarisier.ingseffekt in annähernd gleichem Maße erhöhen. Da einer Vergrößerung des Abstandes bzw. der Dicke der dritten Schicht aus nichtmagnetischem Isolationsmalcrial zwischen der ersten Schicht aus hcchmagnctisiertcm Fllascndomiincnmaterial und der hochpermeablen mustcrartigcn Verschiebungsschicht, die die Polarisation der Verschic-

bungselemente herabsetzen würde, Grenzen aufgrund der dann rasch abnehmenden Verschiebungswirkung gesetzt sind, besteht die übliche Lösung dieses Problems nicht in einer Verringerung der unerwünschten Polarisation, sondern in deren Überwindung durch Anlegen eines entsprechend stärkeren magnetischen Treiberfeldes. Diese Maßnahme weist jedoch den Nachteil auf, daß aufgrund der nun benötigten wesentlich stärkeren Treiberspulen sowie der entsprechenden Elektronik ein wesentlich höherer Schaltungsaufwand erforderlich ist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, den Polarisationseffekt, der durch in Blasendomänenmaterialien hoher Magnetisierung ausgebildete Blasendomänen von Submikrongröße auf die Elemente einer hochpermeablen, musterartig angeordneten Verschiebungsschicht in einer magnetischen Blasendomänenanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ausgeübt wird, wesentlich zu verringern.

Diese Aufgabe wird bei der erfindungsgemäßen magnetischen Blasendomänenanordnung dadurch gelöst, daß die erste Schicht aus Blasendomänenmateriai besteht, das eine hohe Sättigungsmagnetisierung aufweist, und daß zwischen der ersten und der dritten Schicht eine vierte, einen Nebenschluß für das Magnetfeld der Blasendomänen bildende Schicht aus magnetisch hochpermeablem Material angeordnet ist.

Dies hat den Vorteil, daß nunmehr das von den Blasendomänen ausgehende magnetische Streufeld erheblich begrenzt bzw. der von den Blasendomänen «1 ausgehende magnetische Kraftfluß im wesentlichen kurzgeschlossen wird und die hochpermeablen Verschiebungselemente der zweiten Schicht kaum noch durchsetzt so daß Blasendomänenmaterialien hoher Magnetisierung wie GdCo-Zusammcnsetzungen oder r> Granulatzusammensetzungen aus seltenen Erden, die sich zur Bildung von Blasendomänen von Submikrongröße eignen, verwendet werden können, ohne daß eine starke Erhöhung der magnetischen Treiberfelder für die Blasendomänen erforderlich ist.

In den Unter^.isprüchen sind zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungsgemäßen magnetischen Blasendomänenanordnung gekennzeichnet

Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher -r> beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Querschnitts-Teilansicht einer Anordnung des Standes der Technik zur Bildung und Verschiebung magnetischer Blasendomänen, die die Polarisation eines Verschiebungselementes durch das w magnetische Feld einer Blasendomäne veranschaulicht

F i g. 2 eine schematische Darstellung einer typischen, aus T-Elementen bestehenden Blasendomänen-Verschiebungsbahn, die bei Blasendomänenanordnungen verwendet wird, r>

Fig.3 eine Querschnitts-Teilansicht der erfindungsgemäßen magnetischen Blasendomänenanordnung,

Fig.4 eine Querschnittsansicht einer zylindrischen Blasendomäne in einer Blasendomänenanordnung mit einem Nebenschluß, die zur Analyse des erfindungsge- m> mäßen Feldnebenschlusses für das Feld von Blasendomäncn dienen kann und

Fig. 5 das magnetische Ersatzschaltbild der Anordnung nach Fi g. 4.

In der Beschreibung und der Zeichnung sind gleiche t>^r, Komponenten mit gleichen Bezugszahlcn verschen.

In Fig.! ist eine Querschnitts-Teilansicht einer magnetischen Blasendomänenanordnung 10 des Standes der Technik gezeigt, die eine erste Schicht 11 aus Blasendomänenmateriai, üblicherweise ein magnetisches Granatniaterial aus seltenen Erden oder amorphes metallisches GdCo, aufweist die bei Vorhandensein eines Vormagnetisierungsfeldes Hb in sich Blasendomänen 12 ausgebildet bzw. erzeugt Die Blasendomänenanordnung 10 weist ferner eine nichtmagnetische dritte Schicht 13 auf, die auf der ersten Schicht 11 ausgebildet ist und üblicherweise aus einem elektrisch isolierenden Material, wie z. B. S1O2, besteht. Eine musterartig angeordnete zweite Schicht aus Verschiebungselementen, einschließlich des Elementes 14, ist auf der dritten Schicht 13 verteilt und wird von ihr getragen. Das in Fig. 1 gezeigte Verschiebungselement 14 stellt ein streifenartig geformtes Element dar, das aus hochpermeablem Material, wie z. B. Permalloy, besteht. Die streifenartige Konfiguration des Elementes 14 dient lediglich zur Veranschaulichung, da derartige Verschiebungsmuster üblicherweise aus Kombinationen von Elementen verschiedenartigster Formen bestehen.

In F i g. 2 sind streifenartig und T-förnh£, ausgebildete Elemente 14 bzw. 16 dargestellt die zusa;nmen ein Verschiebungsmuster 17 bilden. Dieses Muster ist typisch für viele Verschiebungsbahnen oder -wege und kann in Verbindung mit den in den F i g. 1 und 3 gezeigten B'asendomänenanordnungen verwendet werden.

Bezugnehmend auf Fig. 1 ist der Radius einer Blasendomäne 12 in der dünnen einachsigen Schicht 11 eines Blasendomänenmateriais der Dicke Λ beim Kollabieren bzw. Verschwinden gegeben durch:

"» 2y

wobei M die Sättigungsmagnetisierung des Blasendumänenmaterials und oivdie Wandenergie sind. Wie zu erkennen ist, kann der Radius der Blasendomäne 12 (bei Annahme einer bestimmten festen Wandenergie) durch Verminderung der Schichtdicke h und/oder Steigerung der Sättigungsmagnetisierung M verringere werden. Die Dicke h muß jedoch relativ zu r_c einen festen Wert annehmen, um eine maximale Stabilität für die Blasendomäne 12 zu erzielen. Dementsprechend besteht der einzige praktische Weg zu^r 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 Blasendomänenmateriais 11 zusteigern.

Übliche magnetische Granat-Blasendomänenmaterialien des Standes der Technik bilden Blasendomänen mit Durchmessern von .ingefähr 2 bis 6 Mikron, slso 2 bis 6 μπι, aus (die im folgenden als 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-Blasindomänen bezeichnet).

Die Sättigungsmagnetisierung derartiger Submikron-Blasendomänenmaterialien ist jedoch relativ groß, verglichen mit derjenigen von Mikron-Blasendomänenmaterialien. Das Ergebnis dieser relativ starken Magnetisierung ist schematisch in Fiel dargestellt.

Unter der Annahme, daß ein VormagnctisicrungsfclJ /-/«an die erste Schicht 11 im wesentlichen senkrecht zu dieser Schicht angelegt wird, um eine oder mehrere Blasendomänen 12 auszubilden bzw. zu erzeugen, und daß so dann ein in der .Schichtebene rotierendes magnetisches Drehfeld //«angelegt wird, polarisiert das Feld des magnetischen Kraftflusses der Blasendomänen die Verschiebungselemente, wie z. B. das streifenartig ausgebildete Element 14. Bei der in F i g. I veranschaulichten Situation wird aufgrund der Polarisierungseffektes des Blasendomänenfeldes verursacht, 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 im Vergleich zu Mikron-Blasendomä'ncn, können die Submikron-Blasendomänen die Verschiebungselemente, wie z. B. das Element 14, wirksamer magnetisieren. Dementsprechend muß das in der Schichtcbcne rotierende magnetische Antriebsfeld //« zur Überwindung des Pols 18 und Bewegung einer Submikron-Blasendomäne 12 beträchtlich größer als das zur Bewegung von Mikron-Blasendomänen erforderliche Antriebsfeld (ungefähr 30 örsted) sein.

Gegenwärtig erfordern Mikron-Blasendomänen 4 ,TAf-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 πΜ liegt, übt eine Submikron-Blasendomäne somit im Vergleich zu einer Mikron-Blasendomäne annähernd die zehnfache Wirkung bei der Polarisierung der Elemente eines unter der Einwirkung von magnetischen Feldkräften stehenden Verschiebungsmusters aus. Eine Vergrößerung des Abstands zwischen der Blasendomänenmaterialschicht 11 und den Elementen des Verschiebungsmusters, wie z. B. dem T-Element des Musters 17 (F i g. 2), etwa durch Erhöhung der Dicke der dritten Schicht 13, zeitigt jedoch zur Verringerung der Polarisation der Elemente nur eine begrenzte Wirkung. Das heißt, bei vergrößertem Abstand wird die Inhomogenität des von den in geringem Abstand voneinander angeordneten entgegengesetzten Polen) des Permalloy-Musters erzeugten Magnetfeldes am jeweiligen Ort 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 Verschiebungselemente besteht somit in einer Verstärkung des rotierenden Antriebsfeldes. Diese Lösung erfordert jedoch eine Erhöhung des Antriebsfeldes, die vergleichbar mit den 4 πM-Werten (mehrere tausend Ursted 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 F i g. 3 zu entnehmen ist, werden erfindungsgemäß die Rückwirkungen von Submikron-Blasendomänen 12 auf die Polarisierung von magnetischen Verschiebungselementen, wie z. B. auf das Element 14, verringert und starke Erhöhungen des rotierenden Antriebsfeldes Hr unnötig gemacht, indem eine vierte, einen Nebenschluß für das Magnetfeld der Blasendomänen bildende Schicht 21 aus magnetisch hochpermeablem Material, wie z. B. Permalloy, zwischen der ersten Schicht 11 und der dritten Schicht 13 angeordnet wird. Durch das Vorhandensein der vierten Schicht 21 ergibt

sich ein vorteilhafter Verlauf für das magnetische FcIc der Blasendomänen 12. und das Streufeld der Blascndo mänen wird auf einen Bruchteil des ursprünglichen 4 ,-A^-Wcrtes reduziert. Die Wirkung der vierten Schieb 21 besteht darin, daß sie im wesentlichen den von clei Blasendomänen 12 ausgehenden magnetischen Kraft fluß kurzschließt und somit die Einwirkung de magnetischen Kraftflusses auf die Verschiebungselc mente reduziert.

Die den Nebenschluß bildende vierte Schicht 21, wi sie in Fig. 3 dargestellt ist. kann durch verschieden! bekannte Verfahren ausgebildet werden, /um Bcispie kann die Schicht 21 auf die erste Schicht 11 aufgesprüh werden, sodann können die dritte Schicht 13 und die da Verschiebungsmuster 17 bildende zweite Schicht auf de vierten Schicht 21 durch Aufdampfen und photolitho graphische oder andere geeignete Verfahren aufge bracht werden.

Die vierte Schicht 21 muß nichi Hin-Wi auf rji.-r crs'.er Schicht 11 angeordnet werden, wie es in F i g. dargestellt ist. Zum Beispiel kann eine untere isolierend Schicht direkt auf einer Schicht aus Blasendomänenma terial aufgebracht werden, und ein Nebenschluß kann dann zwischen der unteren isolierenden Schicht unc einer oberen isolierenden Schicht, die die Vcrschic bungselemente trägt, angeordnet werden. Das heiß eine weitere Schicht aus isolierendem Material kann zwischc die Schichten Il und 21 der in F i g. dargestellten Blasendomänenanordnung 10 eingefüg werden, wie es durch die gestrichelte Linie 22 dargestellt ist.

Auch kann ein anderes Material als Permalloy für di den Blasendomänen-Feldnebcnschluß bildende Schich verwendet werden. Es kann z. B. wünschenswert sein diese Schicht in die Schicht aus Blasendomänenmateria einzubauen, indem die Zusammensetzung eines dünnen Bereiches nahe der oberen Oberfläche der Schich geändert wird. Dies trifft insbesondere für Blascndomä nenmaterialien wie z. B. GdCo zu. in w elchem Falle di den Nebenschluß bildende vierte Schicht 21 ein Bereich aus Co sein kann, der nahe der oberen Oberfläche de ersten Schicht 11 als Teil dieser Schicht bei de Herstellung der Blasendomänenmaterialschicht ausgc bildet wird.

Üblicherweise ist der Nebenschlußpfad sehr dünn Die für die Schicht 21 zutreffenden Erfordernisse können jedoch durch Betrachtung des in Fig.4 dargestellten Modells 23 einer magnetischen Blasendo mäne 12 bestimmt werden, die von der die hochpermea ble Schicht 21 tragenden isolierenden Schicht 13 bedeckt ist.

Im wesentlichen kann der von der zylindrischen Blasendomäne 12 ausgehende magnetische Fluß zwei Wege nehmen, um zu der Schicht 11 zurückzukehren Ein Weg verläuft durch die hochpermeable Schicht 21 der andere durch die umgebende Luft Ein magnetisches Ersatzschaltbild 24 für das Blasendomänenmodell 23 ist in Fig.5 gezeigt. Unter der Annahme, daß de magnetische Widerstand Ri der isolierenden Schicht 13 annähernd Null ist, ergibt sich aus dem magnetischen Widerstand der Luft R_A und dem magnetischen Widerstand der Nebenschlußwege Rs als magnetische Gesamtwiderstand Rt sämtlicher Nebenschluß- und Luftwege annähernd:

R_T =

Ra

Der gesamte magnetische Krahfluß ist gegeben durch:

wobei Fi die gesamte m.ignetomotorische Kraft des magnetischen Ersatzschaltbildes 24 ist. Der magnetische GesamAraftfluO Φ ι läßt sich auch durch die Beziehung

ausdrücken, in der mit Φ , der magnetische Kraflfluß im 1; Luftweg und mit Ψ\ der magnetische Kraftfluß im Nebenschluß bezeichnet sind.

Wenn R\ > /?.% ist. so ist F_s> F.\ und im wesentlichen

w _..r.ri..n

UH gi:)<iimi rvtaiuiuu i»Jtgi uiin »Uli utm i^cucil^LflluiJ

gebildeten Weg. Da /?_sder Permeabilität und der Dicke der Schicht 21 proportional ist. kann somit das Material des Nebenschlusses und/oder dessen Dicke zur

Steuerung von Rs in bezug auf Wi variiert weiden, so daß das magnetische Feld der Blasendomäne 12 und die Polarisierung der magnetischen Vcrschiebungselemente durch das Blasendomänenfeld gesteuert werden. Bei Blasendomänen von Submikrongröße zwingt eine Permalloy-Schieht 21 mit einer Dicke von ungefähr 500 bis 1000 A im wesentlichen den gesamten Blasendomänen-Kraftfluß in den Nebenschluß. Somit entfällt durch die Schicht 21 das Erfordernis einer wesentlichen Erhöhung des rotierenden Antriebsfeldes, die andernfalls bei Submikron-Blasendomänen unumgänglich wäre. Dies wird vor allem erreicht, ohne die Beweglichkeit der Blascndomänen nachteilig zu beeinflussen.

Erfindungsgemäß wird somit eine magnetische Blasendomänenanordnung mit einem Blasendomänen-Feldnebenschluß erhalten, die die Verwendung magnetischer Materialien hoher Magnetisierung wie etwa von

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Blasendomänen von Submikrongröße eignen, ohne eine starke Erhöhung der Blasendomänen-Antriebsfelder ermöglicht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Magnetische Blasendomänenanordnung mit einer ersten Schicht (11) aus Blasendomänenmaterial, in der durch Einwirkung eines senkrecht zur Schicht gerichteten Magnetfeldes (Hn) Blasendomänen (12) erzeugbar sind, mit einer zweiten, musterartig angeordneten Schicht (14) aus magnetisch hochpermeablem Material zur selektiven Verschiebung magnetischer Blasendomänen (12) in der ersten Schicht (11) bei Anliegen eines in der Schichtebene rotierenden Magnetfeldes (Hn), und mit einer zwischen der ersten (11) und der zweiten (14) Schicht angeordneten dritten Schicht (13) aus nichtmagnetischem Isolationsmaterial, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (11) aus Blasendomänenmaterial besteht, das eine hohe Sättigungsmagnetisierung aufweist, und daß zwischen der ersten (11) und der dritten (13) Schicht eine vierte, einen Nebenschluß für das Magnetfeld der Blasendomänee (12) bildende Schicht (21) aus magnetisch hochpermeablem Material angeordnet ist

2. Magnetische Blasendomänenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Schicht (21) eine Dicke von etwa 500 A bis 1000 Ä aufweist und aus Permalloy besteht.

3. Magnetische Blasendomänenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Schicht (21) sich im wesentlichen über die gesamte Fläche der ersten Schicht (11) erstreckt und eine annähernd gleichförmige Dicke aufweist

4. Magnetische Blasendomänenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einen J5 Feldnebenschluß bildende vierte S hicht (21) ein dünner Oberflächenbereich abweichender Zusammensetzung der ersten Schicht (11) ist.

5. Magnetische Blasendomänenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Blasendomänenmaterial der ersten Schicht (U) GdCo ist

6. Magnetische Blasendomänenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Schicht (21) ein an der Oberfläche der ersten Schicht (11) ausgebildeter Bereich aus Co ist.

7. Magnetische Blasendomänenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Schicht (22) aus nichtmagnetischem Isolationsmaterial zwischen der ersten (11) und der w vierten (21) Schicht angeordnet und dadurch die den Feldnebenschluß bildende vierte Schicht (21) sowohl von der ersten (11) als auch von der zweiten (14) Schicht durch Schichten (13; 22) aus nichtmagnetischem Isolationsmaterial getrennt ist. v>