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Unterdrückung von harten Magnetbiasendomänen aufgrund der charakteristischen
Temperatur und der Kristallorientierung.
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Die Erfindung richtet sich auf Materialien, bei denen einwändige Magnetdomänen
erzeugt werden können und insbesondere auf ein Magnetdornänenmaterial, das für die
selektive Erzeugung von normalen und nicht von harten, einwändigen Magnetdomänen
geeignet ist.
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Es ist bekannt, zur Erzeugung von einwändigen Magnetblasendomänen
Magnetmaterialien, wie Granate und Orthoferrite mit eingegebener und/oder (durch
Form, Belastung oder Wachstum) induzierter,in eine Richtung weisenderAnisotropie
zu verwenden. Gewöhnlich werden die Blasendomänendadurch erzeugt, daß ein geeignetes
Vorspannungs-Magnetfeld senkrecht zu einer Schicht aus Magnetblasendomänenmaterial
angelegt wird. Die normalen Blasendomänen,die in einem solchen Material induziert
werden, treten in einem engen Bereich von Feldstärkewerten auf, gewöhnlich im Bereich
von 15 Oersted in Granatmaterialien, und sie pflanzen sich in Richtung eines angelegten
Vorspannungsfeldgradienten fort. Jedoch können bei bestimmten Materialien Blasendomänenentstehen,
die über einen weiten
Bereich von Feldstärkewerten, die bei Granaten
ungefähr 40 Oersteds erreichen, existieren können. Diese als harte Blasen bezeichneten
ungewöhnlichen Blasendomänenbesitzen zudem niedrige Beweglichkeit und pflanzen sich
in einem Winkel zum angelegten Feldstärkegradienten fort. Wegen dieser Eigenschaften
kann die Anwesenheit von derartigen harten Blasen das Blasendomänenmaterial für
die Anwendung in Blasendomänschaltkreisen und Einrichtungen ungeeignet machen.
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Es gibt zahlreiche Verfahren, um die Bildung von harten Blasendomänen
zu unterdrücken. Ein sogenanntes Doppelschichtverfahren (Typ I) wird in einem Aufsatz
von A. H. Bobeck et al. beschrieben, der in der Zeitschrift "Bell System Technical
Journal", Vol. 51, Seiten 1431-35, im Juli/August 1972 erschienen ist. Gemäß diesem
Verfahren wird eine Granatschicht (Unterdrückungsschicht) mit niedrigem magnetischem
Moment zwischen einer Granatblasendomznschicht und einem Substrat eingefügt. Die
Anwendung eines geeigneten Vorspannungsfeldes zur Bildung von Blasendomänen in der
Blasenschicht sättigt die Unterdrückungsschicht und verhindert damit die Bildung
von Blasendomänen darin und magnetisiert die gesamte Unterdrückungsschicht antiparallel
zu den Blasendomänen. Infolge der antiparallelen Richtung der Magnetisierung werden
Domänwände zwischen der Zwischenschicht und den Blasendomänen gebildet, wodurch
die Domänen mit einer Oberseite versehen werden. Diese zusätzlichen Domänwände,
die 1800-Wände oder
Kappen wegen der antiparallelen Magnetisierung
genannt werden, unterdrücken offenbar die Bildung von harten Blasen in der Blasenschicht,
indem der Freiheitsgrad begrenzt wird, der der Domänwandgeometrie zur Verfügung
steht. Die Nützlichkeit des Doppelschicht-Unterdrückungsverfahrens gemäß Typ I wird
begrenzt durch 1. die Neigung der unterdrückten Blasenschicht, spontan nicht gewünschte
Blasen zu bilden, und 2. die Neigung der Domänen, sich zu spalten. oder aufzuteilen,
wenn sie zum Zwecke der Erkennung auseinandergezogen werden.
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In dem bereits genannten Aufsatz von A. H. Bobeck et al. wird noch
ein zweites Doppelschicht-Unterdrückungsverfahren (Typ II) beschrieben. Dieses Verfahren
verwendet eine Granatblasendomänschicht, die eine Magnetisierungs-Kompensationstemperatur
besitzt, die unterhalb der Raumtemperatur liegt. Eine Granatschicht, die zwischen
der Blasenschicht und einem Stützsubstrat angeordnet ist, besitzt ein niedrigeres
Moment, als die Blasenschicht, und besitzt eine Kompensationstemperatur, die oberhalb
der Raumtemperatur liegt.
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Beim Anlegen eines äußeren Vorspannungsfeldes zur Bildung von Blasendomänen
in der Blasendomänschicht und zur Sättigung der dazwischen liegenden Schicht werden
die Gitter von den d-Stellen des Eisens (d-site Fe sublattices) der dazwischen liegenden
Schicht und die Nicht-Blasenbereiche der Blasendomänschicht in antiparalleler Richtung
magnetisiert. Dies erzeugt an den-Grenzbereichen liegende Domänwände, die außerhalb
der Blasendomäne liegen. Das
bedeutet, daß an der Trennfläche der
zwei Schichten Domänwände erzeugt werden, und zwar zwischen, aber nicht entlang
der unteren Enden der Blasendomäne. Die Autoren berichten, daß die harten Blasen
durch eine solche Domänwand beseitigt werden. Jedoch ist die Betriebs fähigkeit
einer derartigen Anordnung offensichtlich auf einen engen Temperaturbereich begrenzt
und ist möglicherweise auch innerhalb dieses Bereiches temperaturabhängig.
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Ein Unterdrückungsverfahren für harte Blasen, das nur eine einzige
Schicht verwendet, benutzt Ionenimplantation, um eine Wand oder eine Grenze in der
oberen Fläche der magnetostriktiven Granatblasendomänschicht zu bilden, die von
R. Wolf und J. C. North in der Zeitschrift "Bell System Technical Journal", Vol.
519 Seiten 1436-1440, Juli/August 1972, beschrieben wurde. Die Ionenimplantation
wird in einem dünnen Bereich in der oberen Fläche der Granatschicht erreicht. Die
Eingrenzungen, die durch den Rest der Schicht auf dem implantierten Bereich ausgeübt
werden, erzeuneues gen ein/Magnetisierungsmoment, das parallel zur Oberfläche und
senkrecht zur Richtung der Magnetisierung der Blasendomäne liegt.
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Die Magnetisierung des eingepflanzten Bereiches erzeugt offenbar eine
besondere Domänwand, eine 90°-Kappe in den Blasendomänen, die in dem nicht-implantierten
Bereich der Schicht induziert werden, wodurch harte Blasendomänenbeseitigt werden,
indem die Anzahl der zur Verfügung stehenden Freiheitsgrade vermindert wird.
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Vom praktischen Standpunkt aus gesehen, ist das Ionenimplantationsverfahren
jedoch
auf Granatmaterialien begrenzt, die negative Magnetostriktions-Konstanten von relativ
großen absoluten Werten aufweisen. Außerdem trennt der ionenimplantierte Bereich
physikalisch die Erzeugungs-und die anderen Einrichtungsstrukturen von der Blasendomänschicht
und macht vermutlich die daraus gebildeten Blasendomäneinrichtungen in ihrer Ausführungsform
weniger flexibel.
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Ein anderes Unterdrückungsverfahren für harte Blasen, ebenfalls ein
90°-Kappenverfahren, besteht darin, ein magnetisches Granat zu verwenden, wobei
eine Unterdrückungsschicht für harte Blasen entweder zwischen einer Blasendomänschicht
und einem stützenden Substrat oder direkt auf der Blasendomänschicht angeordnet
werden kann, die selbst auf dem Substrat aufgewachsen wurde. Die Unterdrückungsschicht
für harte Blasen besitzt durch Streß induzierte Anisotropie, so daß es eine Achse
für leichte Magnetisierung gibt, die ungefähr parallel zu der Zwischenfläche von
Blasendomäne und Unterdrückungsschichten sowie senkrecht zur Richtung der Magnetisiemng
der Blasendomäne liegt. Da die Achse der leichten Magnetisierung der Unterdrückungsschicht
parallel zur Ebene der Blasendomänschicht liegt (900 relativ zur Blasendomän-Magnetisierungsrichtung),
bildet die Unterdrückungsschicht eine besondere Domänwand oder Kappe für die Blasendomäne.
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Obwohl die geschilderten Unterdrückungsverfahren sehr wirksam sein
mögen, erfordern sie jedoch zusätzliche Verarbeitungsschritte und/oder zusätzliche
Strukturen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Unterdrückung von
harten Blasen zu schaffen, das die Kosten und die Zeit für derartige zusätzliche
Verarbeitung beseitigt.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Schicht
eines Materials verwendet wird, bei dem normale einwändige Magnetblasendomänen selektiv
erzeugt werden können, ohne daß harte Blasen erzeugt werden. Die Erfindung benützt
die Erkenntnis, daß es eine von der Materialzusammensetzung abhängige charakteristische
Temperatur TH für Blasendomänmaterialien gibt. Wenn das Blasendomänmaterial bei
dieser Temperatur TH oder über dieser Temperatur TH gehalten wird, können normale
Domänen in diesem Material erzeugt werden. Jedoch können harte Blasen nicht erzeugt
werden.
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Die Zusammensetzung des Blasendomänmaterials wird so gewählt, daß
TH zumindest gleich einer vorbestimmten minimalen Arbeitstemperatur ist. Es können
Vorkehrungen getroffen werden, um die Temperatur des Blasendomänmaterials oberhalb
dieser charakteristischen Temperatur zu halten.
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Eine zweite Möglichkeit besteht darin, eine Schicht von Blasendomänmaterial
zu verwenden, die im wesentlichen parallel zu einer
t1103 kristallographischen
Ebene liegt und eine (110 Achse der leichten Magnetisierung aufweist, die senkrecht
zu ihrer Ebene liegt, so daß normale einwändige Magnetblasendomänen ohne Erzeugung
von harten Domänen erzeugt werden können.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung anhand der Darstellung eines Ausführungsbeispiels, Es zeigt: Fig, 1
eine Querschnitts-Teilansicht einer Blasendomänanordnung, die die Prinzipien der
vorliegenden Erfindung umfaßt; Fig. 2 eine graphische Darstellung der Temperaturabhänggkeit
der Einbruchfeldstärke des Granatblasendomänmaterials; Fig. 3 eine perspektivische
Ansicht einer Blasendomänanordnung und Einrichtungen zur Aufrechterhaltung der Temperatur
des Blasendomänmaterials bei oder oberhalb einer charakteristischen Temperatur gemäß
den Prinzipien der vorliegenden Erfindung; Fig. 4 eine Querschnitts-Teilansicht
einer Blasendomänanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; Fig.
5 eine andere, vergrößerte Teilschnittansicht der Blasendomänschicht der Anordnung
gemäß Fig. 1 zur schematischen Darstellung der Domänwände;
Fig.
6 eine Querschnittsansicht zur Darstellung der Blasendomänendwände gemäß Fig. 5,
entlang der Linie 3-3, wobei die Orientierung der magnetischen Elementarmomente
dargestellt ist, die mit der Domänwand verbunden sind.
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In Fig. 1 ist eine Querschnitts-Teilansicht der Blasendomänanordnung
dargestellt, die mit der Bezugszahl 10 versehen ist, und die gemäß der vorliegenden
Erfindung aufgebaut wurde. Die Blasendomänanordnung 10 umfaßt ein Substrat 11, das
eine Schicht 12 aus Blasendomänmaterial stützt. Blasendomänen 13 (nur eine ist gezeigt),
d.h. zylindrisch geformte Bereiche, die von einzelnen Domänwänden umschlossen werden
und antiparallel zur Magnetisierung der Schicht 12 magnetisiert sind, können innerhalb
der Schicht beim Anlegen eines geeigneten Vorspannungsfeldes Hb erzeugt werden,
das senkrecht zur Schicht liegt.
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Das Substrat 11 umfaßt gewöhnlich ein monokristallines Oxydmaterial,
z.B. ein Metalloxyd, wie z.B. nicht-magnetisches Granat.
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Der hier verwendete Ausdruck "nicht-magnetisches Granat" soll Granatmaterialien
bezeichnen, die kein Eisen oder nicht genug Eisen enthalten, um die magnetischen
Eigenschaften zu erzeugen, die notwendig sind zur Bildung von Blasendomänen. Die
nicht-magnetischen Granate hält man für Oxyde, die durch'die allgemeine Formel J3Q5°12
bezeichnet werden, wobei J mindestens ein Element aus der Lanthaniden-Serie der
Periodischen Tabelle umfaßt, z.B.
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Lanthan, Yttrium, Magnesium, Calzium, Strontium, Barium, Blei, Cadmium,
Lithium, Natrium und Kalium. Der Q-Bestandteil ist mindestens ein Element aus der
Gruppe, die aus Gallium, Indium, Scandium, Titan, Vanadium, Chrom, Silizium, Germanium,
Mangan, Rhodium, Zirkonium, Hafnium, Molybdän, Niobium, Tantal, Wolfram und Aluminium
besteht.
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Die Blasendomänschicht 12 besteht gewöhnlich aus einer monokristallinen-Schicht
eines magnetischen Materials, wie z.B. magnetisches Granat. Das magnetische Granat
wird hierbei als Oxyd angesehen, das durch die allgemeine Formel J3Q5°12 bezeichnet
wird, wobei J ein oder mehrere Elemente der Lanthanidenserie der Periodischen Tabelle
umfaßt, als da sind Calzium, Bismuth, Strontium, Lanthan und Yttrium, während Q
Eisen allein darstellt (und J3 05012 somit ein Eisengranat ist), oder Eisen und
eines oder mehrere Elemente, die aus der folgenden Gruppe ausgewählt sind: Aluminium,
Chrom, Gallium, Germanium, Indium, Mangan, Scandium, Titan und Vanadium (J3Q5°12
stellt ein substituiertes Eisengranat dar).
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Die monokristalline Blasendomänschicht 12 kann epitaxial auf dem Substrat
11 aufgewachsen werden, indem herkömmliche AuSwachsverfahren verwendet werden, beispielsweise
die Flüssigphasen-Epitaxie, die chemische Dampfablagerung, die physikalische Dampfabnagerung
und dergleichen. Die Bildung der Zusammensetzung der monokristallinen
Eisengranatblasendomänschichten
auf einem Substrat aus monokristallinen Metalloxyden ist in dem US-Patent 3,645,788
offenbart. Natürlich können bestimmte Blasendomänmaterialien eine selbsttragende
Schicht aufweisen, statt daß eine Schicht 12 verwendet wird, die von einem Substrat
11 getragen wird.
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Wie bekannt, wird zur Erzeugung von Blasendomänen in einer Schicht
aus magnetischem Granatmaterial die Schicht in einer solchen Weise aufgewachsen,
daß dabei magnetische Anisotropie eine Achse der leichten Magnetisierung erzeugt,
die im. wesentlichen senkrecht zur Schichtebene liegt. Demzufolge wird eine induzierte
magnetische Anisotropie, d.h. eine induzierte Achse der leichten Magnetisierung
dort verwendet, wo die Blasendomänschicht 12 ein Granat ist. Vorzugsweise fällt
die induzierte leichte Achse mit einer der kristallographischen (eingegebenen) leichten
Achsen zusammen.
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Die bereits bekannten Unterdrückungsverfahren für harte Blasen, nämlich
Vielschichtverfahren oder Ionenimdantationsverfahren verwenden eine gegenseitige
Kopplung zwischen mehreren Schichten oder Bereichen aus magnetischem Material, um
vermutlich besondere Domänwände zu erzeugen, wie die bereits genannten 900- und
180°-Kappen. Obwohl der Mechanismus der Unterdrückung nicht voll verständlich ist,
wird angenommen, daß die den Blasendomänen zur
Verfügung stehenden
Freiheitsgrade bis auf eine Zahl vermindert werden, die das Vorhandensein von harten
Blasen verhindern, jedoch noch die Existenz von Blasen mit nahezu normalen Eigenschaften
ermöglichen.
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Die vorliegende Erfindung nützt die Erkenntnis, daß bei Materialien,
wie bei Granaten, die Bildung von harten Blasen temperaturabhängig ist. Es wurde
gefunden, daß Blasendomänmaterialien eine charakteristische Temperatur aufweisen,
oberhalb der nicht harte Blasen/erzeugt werden. Diese charakteristische Temperatur,
die im folgenden mit TH bezeichnet wird, gibt es selbst für nicht unterdrückte Granatblasendomänmaterialien.
Weiterhin wurde gefunden, daß TH unterschiedlich ist für unterschiedliche Zusammensetzungen.
Diese Erkenntnisse können verwendet werden, um eine Unterdrückung von harten Blasen
dadurch zu erreichen, daß TH auf einen Wert abgesenkt wird, der gleich oder kleiner
ist als eine vorbestimmte minimale Temperatur, der die Blasendomänanordnung ausgesetzt
wird.
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Die Tabelle I faßt die verwendeten Parameter und die erzielten Ergebnisse
für Proben zusammen, die verschiedene Zusammensetzungen von Blasendomänmaterial
gemäß der vorliegenden Erfindung enthielten. Mit der Ausnahme der Zusammensetzung,
die mit der Proben-Nummer 1 versehen wurde, wurden die Granatblasendomänschichten
und
die sich ergebenden Zusammensetzungen unter Verwendung der Eintauch-Flüssigphasen-Epitaxie
hergestellt, die von Levinstein et al. in dem Aufsatz "The Grcwth of High Quality
Garnet Thin Films from Supercooled Melts", Applied Physics Letters, Vol. 19, Seiten
486-488 (Dez. 1971), beschrieben wurde. Dieser Bericht lehrt die Verwendung von
einer Aufwachstemperatur von 9200C und einem PbO-B203-Fluß für das Eintauchverfahren.
Die Blasendomänschichten werden abgelagert, indem horizontale Substrate verwendet
werden, die mit einer Drehzahl von 30 bis 100 U/Min. während des Wachstumszyklus
gedreht wurden, wie von Geiss et al. in "Liquid Phase Epitaxial Growth of Magnetic
Garnets", Vol. 16, Seiten 36-42, (1972), beschrieben wurde.
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Die Zusammensetzung Nr. 1 wurde durch chemische Dampfablagerung gewachsen.
Diese Art Wachsverfahren verwendet geeignete Metallchloridanhydiii als filmbildende
Ionenquelle. Das Ablagerungssystem war im wesentlichen das gleiche, wie das, das
von J. E. Mee et al.
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in Magnetit Oxide Films", IEEE Transactions on Magnetics, Vol.
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Mag -5, Nr, 4, (Dez. 1969), berichtet wurde. Die Chloride wurden in
einzeln-gesteuerten Ofenbereichen erhitzt. Dies steuerte den Dampfdruck einer jeden
Ionenquelle, den Transport der Halogenide und daher die sich ergebende Filmzusammensetzung.
Eine Dampfmischung aus Wasserstoffchloriden und Helium wurde über die Quellenmaterialien
geleitet, um die Dampfmischung, die Filmbestandteilionen
enthielt,
zur Ab lage rungszone zu transportieren. Die Sauerstoff-Helium-Dampfmischungen wurden
in den Reaktor eingeführt, so daß die Mischung des transportierten Dampfes der Quellenmaterialien
und der Chlorwasserstoff mit dem Sauerstoff in einer Reaktor-Ab lage rungszone reagierten,
die auf einer Temperatur von 11500C gehalten wurde, um einen epitaxialen magnetischen
Granatfilm auf einem Gadolinium-Gallium-Granatsubstrat zu bilden.
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T A B E L L E I Charakteristische Temperatur, TH, der epitaxialen
Granate Proben-Nr. Blasen-Domän-Schicht Substrat Ablagerungs-Zusammensetzung Zusammensetzung
TH (°C) verfahren 1a (YGd)3Ga1.0Fe4.0O12 CVD Gd3Ga5O12 60 2 Eu0.8Er2.2Ga0.8Fe4.2O12
LPE Gd3Ga5O12 110 3 Y2.4Eu0.6Ga1.1Fe3.9O12 LPE Gd3Ga5O12 90 4b (YGdTm)3Ga0.8Fe4.18Co0.01Si0.01O12
LPE Gd3Ga5O12 150 5b (YGdTm)3Ga0.8Fe4.2O12 LPE Gd3Ga5O12 115 6b,c (YGdTm)3Ga0.8Fe4.2O12
LPE Gd3Ga5O12 20 7b,d (YGdTm)3Ga0.8Fe4.2O12 LPE Gd3Ga5O12 -40 a. (YGd)3 Zusammensetzung
war Y2,5Gd0,5 d. Ionen-implantiert bei 50 keV bei b. (YGdTm)3 Zusammensetzung war
Y1,08Gd0,72Tm1,2 3 x 1016H+cm-2 CVD = Chemische Dampf-Ablagerung c. Ionen-implantiert
bei 50 keV bei 1 x 1016H+cm-2 LPE = Flüssig-Phasen-Epitaxi
Die
Zusammensetzung, die für alle Substrate 11 (Fig. 1) benutzt wurde, war Gd3Ga5O12
(Gadoliniumgalliumgranat). Das oben beschrie--bene Flüssigphasen-Epitaxieverfahren
(LPE.) sowie das chemische Dampfablagerungsverfahren (CVD) wurden verwendet, um
B lasendomänschichten 12 mit einer 2 -Orientierung (Fig. 1) bis zu einer Dicke von
ungefähr 5 bis 6 x 10 3 mm auf einem Gadoliniumgalliumgranatsubstrat 11 (Fig. 1)
aufzuwachsen, das eine f1113 -Orientierung aufwies. Die Zusammensetzungen der Blasendomänschichten
sind in Tabelle I wiedergegeben.
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Die Probenzusammensetzungen waren charakterisiert durch die Anwesenheit
oder Abwesenheit von harten Blasendomänen, die den Wertbereich des Vorspannungsfeldes,
# hb (Oersteds), bestimmt wurde, was notwendig war, um einen Zusammenbruch der Blasendomäne
zu erreichen. Da der Bereich für einen Zusammenbruch bei 2 Oersted oder weniger
zeigte, daß nur normale Blasen ohne die Anwesenheit von harten Blasen existierten,
wurde die effektive charakteristische Temperatur TH so gewählt, daß sie die Temperatur
ist, bei der der Feldstärkenbereich für einen Blasenzusammenbruch 2 Oersted betrug.
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Fig. 2 zeigt den Einfluß der Zusammensetzung auf # Hb (und damit auf
TH) ) für drei Blasendomänschichten aus (YGdTm)3(FeGa)5 012> siehe die Proben
Nr. 4 bis 6. Ähnliche Kurven wurden für alle die Probenzusammensetzungen erreicht,
die in Tabelle I aufgeführt sind
Wie in Fig. 2 dargestellt ist,
beträgt bei niedrigeren Temperaturen #Hb ungefähr 25 Oersted oder mehr, was anzeigt,
daß harte Blasen vorhanden sind. Wie jedoch für die beispielhaften Proben Nr. 4
bis 6 gezeigt wird, vermindert sich der Bereich des Feldzusammenbruches mit ansteigender
Temperatur, bis die entsprechende charakteristische Temperatur TH von 150, 115 und
200 erreicht ist.
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In Tabelle I ist der Einfluß der Zusammensetzung auf TH durch die
Proben Nr. 4 und 5 illustriert. Beide Proben sind identisch mit der Ausnahme, daß
bei der Probe Nr. 4 geringe Mengen von Kobalt und Silizium hinzugefügt wurden. Trotz
der sehr leichten Zusammensetzungsänderung liegt die charakteristische Temperatur
für die Probe Nr. 4 um 350C höher als die für die Probe Nr. 5.
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Eine Kennzeichnung der Proben zeigt an, daß die Erzeugung von harten
Blasen, nicht jedoch die Existenz von harten Blasen, durch einen Betrieb oberhalb
von TH unterdrückt wird. Wie aus Fig. 2 zu erkennen ist, bedeutet das, daß bei Erzeugung
von Blasen in der Zusammensetzung bei einer Temperatur unterhalb von TH (d.h., wenn
die Zusammensetzungen Temperaturen haben, die den Punkten a entsprechen), und wenn
dann die Blasendomänschichten auf eine Temperatur von oberhalb TH angehoben werden,
Hb hoch und bei nahezu konstanten Werten verbleibt. Wenn das Vorhandensein von harten
Blasen oberhalb von TH verhindert werden soll,
sollte H sich deutlich
vermindern, nachdem die Temperatur anb gehoben wurde. Stattdessen scheinen die konstanten
Werte von 4iHb anzudeuten, daß die bei niedrigeren Temperaturen erzeugten harten
Blasen in den Blasendomänschichten bei Temperaturen, die TH überschreiten, erhalten
bleiben.
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Die Merkmale der Probe Nr. 6 zeigen, daß harte Blasen selbst in unterdrückten
Blasendomänfilmen erzeugt werden können, und daß unterdrückte Schichten oder Filme
eine charakterisitsche Temperatur besitzen. Die Probe Nr. 6 hat eine Blasendomänschicht
von der gleichen Zusammensetzung, wie die der Probe Nr. 5, mit der Ausnahme, daß
die Schicht der Probe Nr. 6 mit 1 x 1016 Protone/cm2 implantiert worden ist. Wie
die Kurve für die Probe Nr. 6 in Fig. 2 zeigt, verbleibt 11b nahezu konstant auf
20 Oersted, wenn Blasen anfänglich bei einer Temperatur erzeugt werden, die dem
Punkt "a" entsprechen, und wenn dann die Temperatur der Blasendomänschicht auf den
Punkt "b" angehoben wird. Der hohe # H-Wert zeigt, daß die harten Blasen in der
Blasenschicht über den Temperaturbereich vorhanden sind. Wenn aber die Temperatur
der Blasendomänschicht bei 2O0C oder darüber liegt, bevor Blasen darin erzeugt werden,
ist Hb geringer als 2 Oersted, was andeutet, daß 2O0C die charakteristische Temperatur
ist, oberhalb der die Erzeugung von harten Blasen unterdrückt wird.
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Wenn die charakteristische Temperatur der harten Blasen oberhalb der
minimalen Umgebungstemperatur liegt, der das Blasendomänmaterial ausgesetzt wird,
können Wärmeeinrichtungen vorgesehen sein.
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Zum Beispiel kann man, wie in Fig. 3, einen einfachen elektrischen
Heizdraht 14 verwenden, der eine bifilare Wicklung aufweist, um die Temperatur gleich
oder größer gleich TH zu machen, wobei jedoch gleichzeitig sichergestellt ist, daß
die Magnetfelder aufgrund der Ströme il und i2 in den Heizdrähten von der Schicht
12 nicht bemerkt werden.
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Obwohl der Mechanismus von TH nicht bekannt ist, kann ein Schluß daraus
gezogen werden, daß die isolierten Streifendomänendie Tendenz haben, sich vor der
Blasenbildung in gleicher Richtung auszurichten, wenn Hb langsam vergrößert wird,
wobei bei einer Temperatur oberhalb von TH begonnen wird. Solch eine Ausrichtung
der Streifendomänenzeigt an, daß möglicherweise eine in der Ebene liegende Anisotropie
vorhanden ist, die eine einfache oder zweifache Abhängigkeit aufweist, die die Domäne
veranlaßt, sich auszurichten. Während eine einfache Abhängigkeit physikalisch unwahrscheinlich
erscheinen mag, sollte doch bemerkt werden, daß Terme mit Cosinus 2Q Symmetrie von
Cosinus.3@ Symmetrie so kombiniert werden können, daß eine in eine Richtung
liegende Symmetrie erzeugt wird. Zur Verifizierung dieser Annahme wurden FMR-Verfahren
benutzt, um die in der Ebene liegenden Resonanzfelder der Proben 4 und 5 zu untersuchen.
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Die FMR-Untersuchung zeigte, daß bei oder nahe der Raumtemperatur
die parallelen Resonanz felder der Proben 4 und 5 eine Anisotropie haben, die eine
Cosinus 2G Abhängigkeit zeigt. Diese Abhängigkeit ist um eine Größenordnung zu groß
für eine Probenfehlausrichtung, was vermuten läßt, daß die Blasendomänmaterialien
eine einachsige in der Ebene liegende Anisotropie bei dieeer Temperatur besitzen,
da irgendeine Falschausrichtung oder irgendwelche eingegebenen Beiträge von den
kubischen Termen eine Cosinus 30 oder Cosinus 6Q Abhängigkeit zeigen sollten. Es
scheint noch bemerkenswerter zu sein, daß bei Anstieg der Temperatur über TH hinaus
ein Cosinus 30 Term auftauchte und anstieg, bis er vergleichbar war In der Amplitude
mit dem Cosinus 20 Term. Entsprechend ist es logisch, das Vorhandensein von einachsigen
oder einfachen Anisotropien, wie im voraufgegangenen Absatz erwähnt, vorherzusagen.
Es wird vermutet, daß dieser Cosinus-Term in Beziehung steht zu den kubischen oder
den belastungsinduzierten Beiträgen für Anisotropie In beiden Fällen fällt ihr Auftreten
mit dem Beginn von TH zusammeln Somit erscheint es wahrscheinlich, daß die Unterdrückung
von harten Blasen in "nicht-gekappten" Schichten oder Filmen eine Funktion der Größe
des Cosinus 3G Anisotropie-Termes relativ zum einachsigen Term ist. Die Unterdrückung
der Erzeugung von harten Blasen erfordert dann, daß der Cosinus 30 Term vergleichbar
ist mit dem einachsigen Term. Dieser Schluß erklärt den Abfall von TH
mit
ansteigender Konzentration von implantierten Ionen. Wenn z.B.
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die Protonenkonzentration für die Blasendomänschicht bei Probe 6 auf
3 x 1016 Protonen/cm2 angehoben wird, wie bei Probe 7 gezeigt, wird TH auf -40°C
vermindert und die Unterdrückung von harten Blasen wird somit bei dieser Temperatur
von -40 0C wirksam. Diese Verminderung von TH> die vermutlich durch das frühere
Erscheinen des Cosinus 36 Termes sich ergibt, steht in Übereinstimmung mit der Möglichkeit,
daß die Ionenimplantation die dreifache Symmetrie erhöhen kann.
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Die hiermit beschriebene streifenförmige Magnetblasendomän-Anordnung
erzeugt somit nur normale Blasendomäne bei oder oberhalb der vorbestimmten charakteristischen
Temperatur, Diese charakteristische Temperatur TH ist abhängig von der Zusammensetzung
des Blasendomänmaterials, wie an den Beispielszusammensetzungen gezeigt wurde. Andere
Zusammensetzungen lassen sich leicht finden.
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In Fig. 4 ist eine Teilquerschnittsansicht einer Blasendomän-Zusammensetzung
gezeigt, die ebenfalls durch die Bezugszahl 10 bezeichnet ist. Die Blasendomänzusammensetzung
10 umfaßt ein SuD-strat 11, das eine Ablagerungsfläche 15 aufweist, die im wesentlichen
parallel zu einer «g110 -Ebene ist. Eine Schicht 12 von Blasendomänmaterial ist
auf dieser Substrataablagerungsfläche 15 gebildet, und zwar im wesentlichen parallel
zu der g1103 -Ebene, so daß eine Achse der leichten Magnetisierung längs. der <110>
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Richtung senkrecht zur 1103 -Ebene liegt. Blasendomäne 13 (nur
eine ist gezeigt) werden innerhalb der Schicht erzeugt, wenn ein geeignetes Magnetfeld
Hb, das senkrecht zu der Ebene liegt, angelegt wird.
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Wie schon erwähnt, besitzen magnetische Granate eine durch Wachstum
oder durch Belastung induzierte nicht-kubische Anisotropie.
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Diese Größe wird verwendet, um Blasendomäne zu erzeugen, indem eine
induzierte Achse der leichten Magnetisierung umgefähr senkrecht zur Ebene einer
magnetischen Granatschicht gelegt wird. In bisher verwendeten Granat-Blasenmat;erialien
wird die induzierte leichte Achse so gelegt, daß sie mit einer der kristallographischen
(eingegebenen) leichten Achsen übereinstimmt, genauer gesagt, mit einer der <111>
-Achsen. In disem Falle besitzt die induzierte Anisotropie einachsige Symmetrie.
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Die vorliegende Erfindung verwendet die orthorhombische Symmetrie
der induzierten magnetischen Anisotropie, die mit den J105 -Ebenen verbunden ist.
Diese orthorhombische Symmetrie wird in dem Aufsatz "Magnetic Oxide Films" von J.
E. Mee, G. R, Pulliam, J. L. Archer und P, J. Besser, IEEE Trans. Magnetics, Vol.
MAG-5, Seite 717 (1969), diskutiert. Erfindungsgemäß werden harte Blasen dadurch
unterdrückt, daß eine leichte Magnetisierungsrichtung entlang einer4i1oRichtung
gelegt wird, insbesondere einer<110>-Richtung, die senkrecht zu der {110}-Ebene
der magnetischen Granatschicht 12
liegt. In diesem Falle werden
Achsen von zwei unterschiedlichen Graden der "Härte" in der Ebene der Schicht 12
gebildet. Diese letztgenannten zwei Achsen werden im folgenden als "mittlere" und
11harte11 Achse bezeichnet.
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Die Folge der Veränderung der Anisotropie mit der Richtung innerhalb
der Filmebene hinsichtlich der Unterdrückung von harten Blasen ist in den Fig. 5
und 6 gezeigt. Fig. 5 ist eine vergrößerte Teilquerschnittsansicht der Blasendomänschicht
12 in der Nähe der einzigen Blase 13, die eine zylindrische Domäanwand 14 aufweist.
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Fig. 6 ist eine Querschnittsdarstellung der Blase 13 und der Domänwand
14 der Fig. 5, wobei schematisch die Orientierung (durch Pfeile) der einzelnen atomaren
Magnetmomente (spins) in derDomäanwand 14 an einem Punkt in der Mitte der Wand und
auf halbem Wege zwischen der oberen und unteren Fläche der Blasenschicht 12 gezeigt
wird. Wegen der Anisotropie in der Filmebene aufgrund der orthorhombischen Symmetrie
bevorzugen die spins in der Wand eine Lage entlang der mittleren Achse, wie es gezeigt
ist. Somit werden in diesem Falle die noch vorhandenen Freiheitsgrade, die den spins
im Falle der einachsigen Anisotropie (alle Richtungen in der Ebene gleich hart)
zur Verfügung stehen, beseitigt.
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Die in Fig, 6 gezeigte Anordnung ist genau die, die in orthoferritischen
Materialien gefunden wird, wo keine harten Blasen
beobachtet werden,
und es wird angenommen, daß es sich dabei um die Konfiguration handelt, die durch
andere Unterdrückungsverfahren für die harten Blasen induziert wird. Berechnungen
haben bestätigt, daß die Ausrichtung mit der mittleren Achse für die t1103-Schicht
12 vorgezogen wird. Das heißt, für ausreichende Unterschiede in der magnetischen
Härte der mittleren und der harten Achse neigen die magnetischen Momente (spins)
in der Domänwand 14 dazu, sich parallel zur mittleren Achse auszurichten. Siehe
dazu auch den Aufsatz "Stress Related Wall Energy Variations in Garnet Films von
G. R. Pulliam und F. A. Pizzarello, Magnetism and Magnetic Materials, 1972, AIP
Conf.- Proc. Nr. 10, American Institute of Physics, New York, Seite 413 (1973).
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Es sollte herausgestellt werden, daß trotz der Verwendung von Graz
naten als Beispiel, die Erfindung nicht auf dieses Material begrenzt sein soll.
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In Fig. 4 kann im allgemeinen die Blasendomänschicht 12 durch epitaxiales
Wachstum auf dem Substrat 11 erzeugt werden, wobei z.B. das Flüssigphasenepitaxie-(LPE)
und das chemische Dampfablagerungs-Verfahren (CVD) verwendet wird. CVD ist besonders
geeignet zum Aufwachsen von Granat schichten mit einer<11O>leichten Achse,
die senkrecht zur Ebene des Filmes liegt. Beim CVD-Verfahren werden die Materialien,
die für das Substrat 11 und die Blasendomänschicht 12 verwendet werden, so ausgewählt,
daß
ihre Gitterkonstantenfehlanpassung belastungsinduzierte Anisotropie
erzeugt, mit der Voraussetzung, daß die <110> leichte Achse senkrecht zur
Ebene der Schicht liegt. Die Verwendung des CVD-Verfahrens und der Gitterkonstantenfehlanpassung
zur Erzeugung von Blasendomänen wird in den US-Patenten 3,728,152 und 3,7115,046
und 3,788,896 gelehrt. Die Verfahren dieser Patente, die sich auf die einachsige
Anisotropie, die mit den leichten Achsen verbunden ist, sind für die vorliegende
Erfindung anwendbar.
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Die Wirksamkeit der orthorhombischen Symmetrie der 11O} -Ablagerungen
zur Unterdrückung von harten Blasen wurde dadurch gezeigt, daß {110}und Blasendomän
sc hi chten 12 mit der Zusammensetzung (YGd)3(FeGa)5012 auf einem Gd3Ga5 O12-Substrat
11 aufgewachsen wurde. (Für die Granate und die anderen kubischen Materialien besitzen
die Ebenen, die zu den kristallographischen Ebenen, wie z,B, 1105 und t1ll3 -Ebenen,
parallel sind, Achsen mit gleicher Nummer, d.h. <110> und <11>, senkrecht
dazu)4 Insbesondere wurde das CVD-Verfahren benutzt, um {11} und {110} -Schichten
12 auf Y2.5Gd0.5Ga1.0Fe4.0O12 auf ein entsprechendes g und {110} Gd3Ga5O12-Substrat
11 aufzuwachsen, Die Probenzusammensetzungen lo von {111} und {110} -Charakter wurden
hinsichtlich der Anwesenheit und Abwesenheit von harten
Blasendomänen
untersucht, indem der Wertebereich des Vorspannungsfeldes AHb (Oersted) bestimmt
wurde, der notwendig war, um Blasenzusammenbruch zu erzeugen. Ein Blasenfeldbereich
von 2 Oersted oder weniger zeigt, wie bereits ausgeführt, das Vorhandensein von
normalen Blasen ohne die Anwesenheit von harten Blasen. Bei nahe Raumtemperatur,
20%, betrug der Vorspannungsfeldbereich weniger als 2 Oersted für die {110} -Zusammensetzung
und wesentlich mehr als 2 Oersted, nämlich ungefähr 15 Oersted, für die {111} -Zusammensetzung.
Entsprechend wurde daraus geschlossen, daß normale Blasendomänen, aber keine harten
Blasendomänenin der g1103 -Zus ammensetzung erzeugt wurden,und daß sowohl normale
als auch harte Blasen in der i -Zusammensetzung erzeugt wurden.
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Es sollte bemerkt werden, daß die {110}und die {111} -Zusammensetzungen
sowohl harte wie auch normale Blasen bei Temperaturen unterhalb von ungefähr 20°C
bzw. 60°C erzeugten. Somit ist die orientierungsabgeleitete Unterdrückung von harten
Blasen der Y2 5Gdo 5Ga1 OFe4 0012-Zusammensetzung temperaturabhängig.
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Diese Temperaturabhängigkeit der Unterdrückung von harten Blasen ist
für bestimmte Zusammensetzungen zu erwarten. Die Werte der Anisotropieenergie längs
der mittleren und harten Achse hängen von den Materialparametern ab, die temperaturempfindlich
sind. Somit wird bei bestimmten Zusammensetzungen die Differenz zwischen den zwei
Richtungen bei einer bestimmten Temperatur vermindert,
so daß der
Zustand der Fig. 6 nicht länger aufrechterhalten wird.
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Die geeignete Wahl der Materialparameter ermöglicht, diese Temperatur
außerhalb des Operationsbereiches zu legen.
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Eine Prüfung der Ergebnisse, die aus den vorgenannten Lehren der Aufsätze
"Magnetic Oxide Films" von Mee et al. und "Stress Related Wall Energy Variations
in Garnet Films" von Pulliam et al. hergeleitet wurden, zeigt, daß die Bedingungen
zur Erzeugung einer starken streßinduzierten orthorhombischen Anisotropie, die für
die Blasendomänbildung in einer <110) -Schicht, wie z.B. die Schicht 12, (Fig.
4), geeignet sind, die folgenden sind:
für K t ° 0 wobei A1oo und 111 die Magnetostriktionskoeffizienten K1 die Anisotroplekonstante
und adie Streßbelastung ist. Die Bedingungen (1) und (2) sind notwendig, um die
<110> -Richtung normal zur Ebene der Schicht 12 der leichten Achse zu machen,
so daß die Blasendomänengebildet werden können. Die in der Ebene liegende Anisotropie,
die für die mittlere und harte Achse (Fig.6) verantwortlich ist, ist ein Ergebnis
der Bedingung (3). Wenn diese Bedingungen alle gut erfüllt sind über den interessierenden
Temperaturbereich, sollte die Bildung von harten Blasen unterdrückt werden.
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Ein Beispiel für ein Granatmaterial, das voraussichtlich die obigen
Bedingungen über einen weiten Temperaturbereich erfüllen sollte, ist gallium oder
gemaniumsubstituiertes Yttriumytterbiumeisengranat der ungefähren Formel Y1.5yb1.5(ga
oder Ge)1.0Fe4.0O12. Hier ist #111< 0, #100#0 und K1 ist < 0 und von kleiner
Größe. Praktisch gesprochen kann angenommen werden daß die Unterdrückung von harten
Blasen bei solchem Material im wesentlichen temperaturunabhängig ist.