DE2941442A1 - Granatfilm fuer ein magnetblasen-speicherelement - Google Patents
Granatfilm fuer ein magnetblasen-speicherelementInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Granatfilm für eine Magnetblasenvorrichtung und bezieht sich insbesondere
auf einen Granat-Einkristallfilm, der für Magnetblasen-Speichervorrichtungen
mit hoher Speicherdichte, die einen Blasendurchmesser von nicht mehr als etwa 1,5 um
haben, geeignet ist.
Es ist gut bekannt, daß Magnetblasen-Speichervorrichtungen in letzter Zeit als vielversprechende
Informationsverarbeitungsvorrichtungen, speziell als erfolgversprechende Speichervorrichtungen, erhöhte Aufmerksamkeit
gewonnen haben und daß man auf diesem Gebiet aktiv Forschungs- und Entwicklungsarbeiten durchführt.
Eine der wichtigsten Funktionen als Speichervorrichtung ist die Speicherdichte, die durch den Durchmesser
der Magnetblase bestimmt wird.
Die gegenwärtig allgemein angewendeten Magnetblasen-Speichervorrichtungen
haben einen Blasendurchmesser von etwa 3 bis 5 pm und es ist zu erwarten, daß die Speicherdichte drastisch erhöht werden kann, wenn der
Durchmesser der Magnetblasen weiter vermindert wird.
Um den praktischen Anwendungsbereich der Magnetblasen-Speicherelemente
als Speicherelement, welches die bisher allgemein angewendeten anderen Speicherelemente
ersetzen könnte, wie Scheibenspeicher, Halbleiterspeicher u.dgl., auszudehnen, ist es erforderlich, die
Speicherdichte des Magnetblasenelements drastisch zu erhöhen, indem der Durchmesser der Magnetblasen in dem
Speicherelement auf einen Wert von nicht mehr als 1,5pm vermindert wird. Es ist daher wesentlich, ein Material
für das Magnetblasenmedium zu schaffen, das befähigt ist, die Magnetblasen mit einem solchen geringen Durchmesser
stabil aufrechtzuerhalten und diese zu betätigen.
Der Stand der Technik auf diesem Gebiet ist aus den nachstehenden Literaturstellen ersichtlich:
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(1) F.B. Hagedorn, AIP Conf. Proc. Bd. 5, Seiten 72 bis 90 (1972). In dieser Veröffentlichung werden
ein Film aus Y^gGd^ .,La^ 4Fe4^AlOf 6O12 und andere
Granatfilme angegeben.
(2) D.H. Smith et al., AIP Conf. Proc. Bd. 5, Seiten 120 bis 123 (1972), aus der EroGdAl_ .Fe. c01o,
Z (J, 4 4 , b Iz
Er 5Eu-i 5A1o 4Fe4 6°12 und andere Granatfilme bekannt
sind.
(3) W.A. Bonner et al., J. Appl. Phys. Bd. 43, Nr. 7,
Seiten 3226 bis 3228, Juli 1972. In dieser Veröffentlichung wird ein Granatfilm der Formel
Y3-xEuxAlyFe5-y°12 (x = 1'5 ~ 2/0/ Y = °'7 " 1/2) 9enannt·
(4) L.G. van Uitert et al., Mat. Res. Bull. Bd. 6,
Seiten 1185 bis 12OO (1971). In dieser Literaturstelle
werden Eu1 -Gd1 CA1 cFe. c0._ und andere Granatfilme
1,5 1,5 o,5 4,5 12
beschrieben.
Es ist festzustellen, daß die in jeder der vorstehend genannten Literaturstellen angegebenen Granate nicht zur
Ausbildung von feinen Blasen geeignet sind und daß die Menge des zugesetzten Gd in jedem in den Veröffentlichungen
beschriebenen Fall 1 überschreitet, während sie erfindungsgemäß höchstens 0,5 beträgt. Obwohl in jeder der Veröffentlichungen
Gd zugesetzt wird, um 4ttMs durch die Magnetisierung
von Gd-Ionen einzustellen, führt die Zugabe von Gd zu einer verstärkten Temperaturabhängigkeit von verschiedenen
Eigenschaften, wie 4πΜε und Ho (Blasenzerfall-Feld)
.
Die Menge des zugesetzten Eu beträgt erfindungsgemäß
bis 1,4, während sie in den vorstehend genannten Literaturstellen mindestens 1,5 beträgt, so daß das gyromagnetische
Verhältnis sowie die magnetische Wandbeweglichkeit geringer werden und die Hochgeschwindigkeits-Wanderung der Blasen
erschwert wird.
Die Menge des zugesetzten Al liegt erfindungsgemäß
innerhalb eines spezifischen Bereiches, in keiner der Veröffentlichungen wird jedoch die Zugabe von Al erwähnt,
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um die Austausch-Festigkeits-Konstante (exchange stiffness
constant) A auf einen gewünschten Wert einzustellen, wie erfindungsgemäß angegeben wird. In den genannten Veröffentlichungen
wird Al zugesetzt, um die fehlende Ubereinstimmung zwischen der Gitterkonstante eines Substratkristalls
und der eines Blasenfilms, die durch die Zugabe von Gd u.dgl. bewirkt wird, einzustellen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Granatfilm für ein Magnetblasen-Speicherelement zur Verfügung
zu stellen, der die Fähigkeit hat, Magnetblasen mit extrem kleinem Durchmesser stabil beizubehalten und
somit die Speicherdichte des Magnetblasen-Speicherelements merklich verbessert.
Um die vorstehend genannte Aufgabe zu lösen, wird erfindungsgemäß die Sättigungsinduktion 4itMs bei einem
niederen Wert gehalten, indem eine vorbestimmte Menge an Eisen durch Aluminium ersetzt wird, ohne daß der
Curiepunkt übermäßig erniedrigt wird. Dabei werden gleichzeitig die anderen Eigenschaften bei gewünschten Werten
gehalten, indem vorbestimmte Mengen andere Elemente, wie Yttrium und Gadolinium, zugesetzt werden, wodurch
ermöglicht wird, daß die feinen Blasen stabil aufrechterhalten werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungsformen ausführlich beschrieben.
Auf Basis der Theorie von Thiele (Bell, Syst. Tech. J 50, 1971, 725) wird zunächst eine Erläuterung der Bedingungen
für die Eigenschaften eines Materials gegeben, welche das stabile Vorhandensein der feinen Magnetblasen
ermöglichen.
Wenn ein magnetischer Granatfilm in der Weise ausgebildet wird, daß seine Dicke h im wesentlichen gleich dem
Durchmesser d der Magnetblase ist, so ist d im wesentlichen das achtfache der charakterischen Länge £:
d = 8 SL (1)
In diesem Fall kann SL durch die nachstehende Gleichung mit Hilfe der Sättigungsinduktion (4nMs), des Anitropie-
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feldes (Hk) und der Austausch-Festigkeitskonstante (A) ausgedrückt werden:
£ = 2(8πΑ·Η^ 1/2/(4*Ms)3/2 (2)
Da Hk als Hk = q·(ΊπΜε) definiert werden kann, wobei
q der Faktor ist, der die Stabilität der Magnetblase darstellt, kann d durch die nachstehende Gleichung ausgedrückt
werden:
d = 16 (8πΑ·ς) 1/2/4ttMs) (3)
Um d auf einen kleinen Wert zu bringen, ist es daher erforderlich, daß sowohl A als auch q so klein wie möglich
sind und daß 4irMs so groß wie möglich gehalten wird.
In praktischer Hinsicht unterliegen jedoch Magnetblasen-Elemente den nachstehenden beiden Beschränkungen.
(1) Um die Ausbildung von unnötigen Magnetblasen an anderen Stellen als dem Magnetblasen-Generator zu verhindern,
soll q vorzugsweise einen Wert von etwa 3 überschreiten. Damit andererseits die leichte Ausbildung der
Magnetblase durch den Magnetblasen-Generator gewährleistet wird, beträgt q vorzugsweise bis zu 10.
(2) Der Transport bzw. die Wanderung der Magnetblasen erfolgt mit Hilfe eines rotierenden Feldes. Versuche
haben gezeigt, daß die Intensität des für den Transport der Magnetblasen erforderlichen rotierenden Feldes im
wesentlichen proportional 4trMs ist. Es ist daher erforderlieh,
4-nMs so klein wie möglich zu halten, um die zur
Ausbildung des rotierenden Feldes erforderliche Energie zu vermindern und die Wärmebildung in der Spule, die das
rotierende Feld erzeugt, möglichst zu unterdrücken.
Wegen der vorstehenden beiden Beschränkungen ist der einzige freie Faktor in der obigen Gleichung (3)
lediglich A. Das bedeutet, daß ein Material mit einem kleinen Wert von d aufgefunden werden muß, indem man den Wert A
klein macht.
Andererseits hat man als Materialien für einen Granatfilm für feine Blasen (Blasen mit einem Durchmesser
von etwa 1μΐη) bereits Granate mit Ga-Substitution vorgeschlagen,
wie (EuTm)3J(FeGa)5O12, (EuYb)3(FeGa)5O12,
(EuLu)3(FeGa)5O12.
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Als andere Materialtypen wurden (SmLu)-(FeGa)1-O1-,
welches Sm anstelle von Eu enthält, und (SmTm)-FeC-O1-,
in welchem Fe nicht ersetzt ist, vorgeschlagen.
Im Vergleich mit üblichen Granaten für Magnetblasenelemente haben diese Granate zur Ausbildung von
feinen Magnetblasen die folgenden spezifischen Merkmale.
(1) Die Sättigungsinduktion 4-nMs ist um mindestens
800 G größer als die von üblichem Granat. (In einem Material, in welchem Fe nicht ersetzt ist, beträgt
4ttMs ^> 1,20OG , in einem Material mit einem Durchmesser
von 2pm der Formel (YSmLuCa)-(FeGe)C-O1- beträgt aber
4kMs = 43OG und in (YSmLu) (FeGa) 0 beträgt 4πΜΞ = 38OG.)
(2) Der Curiepunkt hat einen hohen Wert von mindestens 200 C und die Austausch-Festigkeitskonstante A beträgt
mindestens ~3x10 erg/cm.
(3) Die Anisotropie-Energie Ku ist um mindestens das zweifache größer als die eines Materials, das für Magnetblasen
mit einem Durchmesser von 2πΐη verwendet wird.
Wenn diese Magnetfilme für ein Magnetblasenelement verwendet werden, besteht eines der kritischsten Probleme
darin, daß der, Energieverbrauch für den Transport der Blasen drastisch ansteigt und daß in der Spule für den
Blasentransport eine außerordentlich große Wärmemenge entwickelt wird. Dies ist darauf zurückzuführen, daß
der Energieverbrauch der Spule im wesentlichen proportional zu dem Quadrat von Ms des Granatfilms ansteigt, wie aus
der vorstehenden Erläuterung verständlich ist. Aus diesem Grund läßt sich mit Recht feststellen, daß das erste
Erfordernis für einen Granatfilm zur Ausbildung von feinen Magnetblasen darin besteht, daß er einen möglichst geringen
Wert von Ms hat. Um dieses Ziel zu erreichen, ist es erforderlich, wegen der vorstehend genannten zwei Beschränkungen,
den Wert von A möglichst klein zu halten.
Da A hauptsächlich durch die Wechselwirkung zwischen Fe-Ionen
bestimmt wird, kann ein Teil der Fe-Ionen durch andere Ionen ersetzt werden, wodurch die Menge an Fe ver-
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mindert und somit A verringert wird. Anders ausgedrückt,
wird der Wert von A umso kleiner, je größer der ersetzte Anteil an Fe ist.
Wenn jedoch A einen Wert von weniger als 1,5 χ 10 erg/cm annimmt, wird die Curie-Temperatur Tc
auf unterhalb 150 C vermindert, wodurch die Temperaturabhängigkeit von verschiedenen Eigenschaften der Magnetblasen
extrem groß wird und der Temperaturbereich, in welchem das Magnetblasenelement eingesetzt werden kann,
vermindert wird. Im Hinblick auf die praktische Anwendung des Magnetblasenelements ist es erforderlich, daß das
Element bei 100 C angewendet werden kann. Wenn Tc weniger als 150 C beträgt, kann jedoch das Speicherelement nicht
bei 100 C angewendet werden und ist daher nicht für die praktische Anwendung geeignet.
Ionen, die zur Verminderung des Werts von A verwendet werden können, während der Wert von Tc bei
mindestens 150C gehalten wird, umfassen Al , Ga ,
+ 4 + 4 +5 +3
Si , Ge und V . Unter diesen Ionen führt Al zu den wünschenswertesten Ergebnissen. Da Al unter diesen
Ionen die größte Wirkung zur Verminderung von A zeigt, ist es möglich auch 4-nMs möglichst gering zu halten, wenn
die feinen Blasen durch Al -Substitution gebildet werden,
Aus diesem Grund wird erfindungsgemäß vorzugsweise Al
als Ionen zum Ersatz eines Teils des Fe verwendet und die zum Ersatz eingesetzte Menge Y (Substitutionsmenge)
muß für praktische Zwecke innerhalb des Bereiches von 0,2 bis 0,9 liegen.
Wenn der Durchmesser der feinen Magnetblase nicht mehr als etwa 1,5pm beträgt, muß der Wert 4πΜε des zur
Ausbildung der feinen Magnetblasen verwendeten Granatfilms 550 bis 1300 Gauß betragen. Wenn 4nMs weniger als
55OG beträgt, ist es unmöglich, feine Blasen mit einem Durchmesser bis zu 1,5pm stabil auszubilden, solange
man nicht die Filmdicke auf einen extrem geringen Wert einstellt.
Wenn 47tMs 130OG überschreitet, so ist andererseits
5
eine Anisotropieenergie Ku von mindestens 2x10 erg/cm
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erforderlich, um die Blasen beständig zu transportieren. Nach dem gegenwärtigen Stand der Technik ist jedoch ein
Wert Ku von 2 χ 10 erg/cm praktisch die obere Grenze und oberhalb dieses Grenzwertes ist es unmöglich, einen
stabilen Magnetblasenfilm zu erhalten.
Wenn die Substitutionsmenge Y von Al weniger als 0,2 beträgt, wird der Wert 4πΜβ größer als 1300G und wenn
Y 0,9 überschreitet, nimmt 4πΜΞ einen Wert von weniger
als 55OG an. Y sollte daher innerhalb des Bereiches von 0,2 bis 0,9 gehalten werden.
Da die Elemente Y, Gd, Yb, Tm, Lu und La geringen magnetischen Verlust besitzen, werden sie als Elemente
R zugesetzt, um die Gitterkonstante des Granatfilms in Übereinstimmung mit der des Substrats zu bringen.
Eu und Sm als Anisotropie zeigende Ionen werden als R zugesetzt, weil sie nicht nur große Anisotropie
zeigen, sondern einen relativ kleinen magnetischen Verlust haben.
Die zugesetzte Menge χ von Eu oder Sm muß innerhalb eines vorbestimmten Bereiches liegen. Unter der
vorstehend angegebenen Bedingung, daß 4ttMs einen Wert
im Bereich von 550 bis 1300 Gauß hat, ist es erforderlich, daß χ im Bereich von etwa 0,5 bis etwa 2,0 liegt, damit das
stabile Vorliegen der Magnetblasen gewährleistet ist.
Wenn χ weniger als 0,5 beträgt, wird die Anisotropieenergie ungenügend, wodurch die Magnetblasen instabil werden
und der stabile Transport der Blasen unmöglich wird.
Wenn andererseits χ größer als 2,0 ist, können zwar die Magnetblasen stabil vorhanden sein, jedoch der
Transport der Blasen wird erschwert und ihr Hochgeschwindigkeitstransport ist unmöglich.
Da Gd, Yb und Tm ebenfalls Wirkung im Hinblick auf die Anisotropie zeigen, sind sie wirksam zum Erzielen
einer gewünschten Anisotropieenergie in Verbindung mit Eu und Sm.
Wenn die zugesetzte Menge an Gd 0,5 Mol pro Molekülformel überschreitet, wird jedoch die Temperaturabhängig-
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keit von 4-rrMs groß und die Temperatureigenschaften
werden verschlechtert. Es ist daher erforderlich, zu vermeiden, daß die zugesetzte Menge an Gd den Wert
von 0,5 Mol überschreitet.
Wenn die Menge an Eu 1,4 Mol (1,4 Atomäquivalent) pro Molekülformel überschreitet, so wird andererseits
die Blasensättigungsgeschwindigkeit bemerkenswert gering. Die Menge Eu beträgt daher vorzugsweise bis zu 1,4.
Da Sm keinen solchen nachteiligen Effekt verursacht, kann dessen Menge 1,4 Mol (Atomäquivalent) überschreiten.
Als Ausgangsmaterialien werden Oxide, d.h. O,56 g ^2^3'
0,87 g Sm2O , 16 g Fe2°.i und °'54 9 A12°3 verwendet' und
diesen werden als Flußmittel 230 g PbO und 4,6 g B„0
zugesetzt. Das Gemisch wird in einem Platintiegel 10 Stunden lang auf 1200 C erhitzt und homogenisiert und dann wird
ein Einkristall in der flüssigen Phase auf Gd^Gan-O17
epitaxial bei 92O°C während drei Minuten gezüchtet. Der gebildete Granatfilm hat die nachstehenden Eigenschaften.
Filmdicke (h) = Blasendurchmesser (d) =0,8 pm;
charakteristische Länge (£) = 0,09ym; Curietemperatur (Tc) = 180°C;
A= 2,0 χ 10 erg/cm,
4itMs : vermindert auf 700G, magnetische Wandbeweglichkeit ^w = 250 cm/s.Oe;
Hk = 1500 Oe.
Es wurde gefunden, daß bei der Herstellung eines Magnetblasenelements unter Verwendung dieses Materials
der Hochgeschwindigkeitstransport der Blase möglich ist und das die Blase ausreichend stabil ist. Die Koerzitivkraft
Hc ist ebenfalls gering (wie O,80 Oe) und die Eigenschaften des Materials haben sich als außerordentlich
gut erwiesen.
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Die Einkristallzüchtung aus der flüssigen Phase wird in gleicher Weise wie in Beispiel 1 durchgeführt,
wobei als Oxid-Ausgangsmaterialien 1,2 g Sm_O_, 0,6 g
Tm2O3, 16 g Fe3O3 und 0,3 g Al3O3 und als Flußmittel
g PbO und 5,0 g B3O3 verwendet werden.
Der so erhaltene Granatfilm hat die nachstehenden Eigenschaften.
h = d = 0,5ym;
Jl = O,O56ym;
Jl = O,O56ym;
Curiepunkt Tc = 2 2O°C;
A = 2,5 χ 10~ erg/cm;
4πΜε = 95OG;
yw = 180 cm/s.Oe;
Hk = 1700 Oe.
Hk = 1700 Oe.
Es wurde gefunden, daß unter Verwendung dieses Granatfilms ein Magnetblasenelement mit einer Bit-Periode
von 4pm ausgebildet werden kann.
Die Einkristallzüchtung aus der flüssigen Phase wird in gleicher Weise wie in Beispiel 1 durchgeführt,
wobei jedoch als oxidische Ausgangsmaterialien 0,85 g Eu3O3, O,8O g Sm3O3, 1,2 g Tm3O3, 15,5 g Fe3O und 0,28 g
A12°3 und als Flußmittel 235 g PbO und 4,7 g B3O3 verwendet
werden. Der erhaltene Granatfilm hat die nachstehenden Eigenschaften,
h = 0,6ym;
d = 0,4ym;
h = 0,6ym;
d = 0,4ym;
I= 0,05ym;
Tc = 210°C;
Tc = 210°C;
A= 2,4 χ 10 erg/cm;
4 ir Ms = 900G.
4 ir Ms = 900G.
Es ist möglich, im Vergleich mit einem üblichen Film mit dem gleichen Blasendurchmesser 4nMs um nicht weniger
als 200G zu vermindern. Da in dem Film Eu, Sm und Tm, die jeweils großen Anisotropieeffekt haben, vorliegen, kann
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bestätigt werden, daß Hk = 2000 Oe beträgt und die Blase ausreichend stabil ist.
Beispiel 4
Ein Granatfilm der nachstehend angegebenen Zusammensetzung in der flüssigen Schmelze, der epitaxial auf einem Gd3Ga1-O1--Einkristall gezüchtet wurde, hat praktisch die Zusammensetzung
Ein Granatfilm der nachstehend angegebenen Zusammensetzung in der flüssigen Schmelze, der epitaxial auf einem Gd3Ga1-O1--Einkristall gezüchtet wurde, hat praktisch die Zusammensetzung
Y1,76SmO,92GdO,32Fe4,38AlO,62°12 ma besitzt einen
Blasendurchmesser von 1 ,Ομίη bei Raumtemperatur und eine
Filmdicke von 1,0pm. Die Sättigungsinduktion 4irMs des
Granatfilms beträgt 665G und zeigt somit einen extrem kleinen Wert für einen Granatfilm für feine Blasen.
Da dieser Granatfilm eine geringe Menge an Gd enthält, wird die Änderung von 4πΜε mit der Temperatur vermindert,
So ist beispielsweise die Temperaturabhängigkeitsrate des Blasen-Zusammenbruchfeldes so gering wie -0,19 bis
-0,23 %/°C innerhalb eines weiten Bereichs von 0 bis 1OO°C. Es konnte bestätigt werden, daß dieser Film ausgezeichnete
Temperatureigenschaften besitzt.
Granatzusammensetzung;
Y2O3 0,738 g
Sm3O3 O,592 g
Gd2O3 0,213 g
Fe2°3 15,97 g
Al2O3 0,537 g
Flußmittel-Bestandteile:
PbO 222 g
B2O3 4,44 g
Wie in üblichen Fällen wird der erfindungsgemäße Granat- Einkristallfilm durch epitaxiale Züchtung auf
einem Gd3Ga5O1--Einkristall ausgebildet.
Die Filmdicke (h) wird so gewählt, daß die Dicke im wesentlichen gleich dem Durchmesser (d) der auszubildende
Magnetblase ist und der Bereich von d/h beträgt etwa 0,5 bis etwa 2,0.
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Der erfindungsgemäße Film ist speziell geeignet zur Ausbildung einer feinen Blase mit einem Durchmesser
von nicht mehr als 1,5ym und seine Maximaldicke beträgt im allgemeinen etwa 1,5pm. Bei einem Film mit einer Dicke
von nicht mehr als O,3ym ist es schwierig, einen gleichmäßigen
Film einer solchen Dicke mit Hilfe des epitaxialen Wachstums aus der flüssigen Phase, einer Methode, die
allgemein zur Ausbildung von Granatfilmen angewendet wird, zu erzielen. Da die Eigenschaften des Magnetblasen-Speicherelements
variieren, wenn ein solcher Film angewendet wird, wird es bevorzugt, daß der Film eine Dicke
von nicht weniger als etwa 0,3pm hat.
Sl/CW
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Claims (4)
1. Granatfilm für ein Magnetblasen-Speicherelement, gekennzeichnet durch eine Zusammensetzung der allgemeinen
Formel
in der R mindestens eines der Elemente Y, Gd, Yb, Tm, Lu und La, und R mindestens eines der Elemente Sm und
Eu bedeutet und χ und y Zahlen der nachstehenden Definition sind
0,5<x<2,0, bzw. 0,2<y<0,9,
wobei Gd, wenn dieses als R vorliegt, in einer Menge von nicht mehr als 0,5 als·Index der Molekülformel,
vorhanden ist.
2. Granatfilm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Film eine Dicke von etwa 0,3 bis etwa 1,5 ym hat.
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3. Granatfilm nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er auf einem Gd^Ga1-O1--Einkristall ausgebildet
ist.
4. Granatfilm nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Menge an Eu bis zu 1,4 als Index der Molekülformel beträgt.
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Applications Claiming Priority (1)
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| IBM-Techn. Discl. Bull., Vol. 15, S.2650, 1973 * |
| Japan. J. Appl. Phys., Vol. 14, S.1395-1396, 1975 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6057210B2 (ja) | 1985-12-13 |
| NL178920C (nl) | 1986-06-02 |
| GB2034297A (en) | 1980-06-04 |
| DE2941442C2 (de) | 1989-10-19 |
| JPS5552205A (en) | 1980-04-16 |
| NL178920B (nl) | 1986-01-02 |
| NL7907616A (nl) | 1980-04-15 |
| GB2034297B (en) | 1982-10-13 |
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