DE3011037A1 - Magnetische blasendomaenenstruktur und magnetische blasendomaenenanordnung - Google Patents
Magnetische blasendomaenenstruktur und magnetische blasendomaenenanordnungInfo
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Description
PHN.9^00 /
"Magnetische Blasendomänenstruktur und magnetische
Blasendomänenanordnung".
Die Erfindung betrifft eine magnetische Struktur, die sich dazu eignet, einwandige magnetische
Domänen mit hoher Geschwindigkeit zu bewegen, mit einem monokristallinen, nicht magnetischen Substrat, das eine
zum Niederschlagen einer Schicht bestimmte Oberfläche hat, die im wesentlichen parallel zu einer (iio)-Fläche verläuft,
und mit einer Schicht monokristallinen magnetischen Werkstoffs, bestehend aus einem Seltenerd-Eisen-Granat
3+
mit teilweiser Substitution von Mn -Ionen an Eisenstellen,
die auf der Niederschlagsoberfläche unter Kompression mit einer Richtung leichter Magnetisierbarkeit
entsprechend einer Achse im wesentlichen senkrecht zur Ebene der Schicht und mit einer Richtung
mittelschwerer Magnetisierbarkeit entsprechend einer Achse in der Ebene der Schicht gezüchtet ist.
Es ist allgemein bekannt, zum Erzeugen und Antreiben einwandiger magnetischer, insbesondere
zylindrischer oder Blasen-Domänen einen magnetischen Granatwerkstoff mit einer von vornherein vorhandenen
und/oder (durch Spannung oder Wachstum) induzierten uniaxialen Anisotropie zu verwenden. Diese Eigenschaft
wird zur Formung von Blasen-Domänen benutzt, indem für eine induzierte Richtung leichter Magnetisierung gesorgt
wird, die im wesentlichen senrecht zur Ebene der Schicht aus Seltenerd-Eisen-Granat verläuft. Unter "Seidenerde"
sei ein Element mit der Atomzahl 39 oder 57-71 verstanden.
Aus der Veröffentlichung "New bubble materials with high peak velocity" von D.J. Breed et al. in
I.E.E.E. Transactions on Magnetics, VoI MAG 13» Nr. 5»
1977, S. IO87....1091, ist es insbesondere bekannt, dass
man zum Erhöhen der Geschwindigkeit, mit der Biasen-Domänen
in Granatschichten bewegt werden könne 1,
Granatschichten mit orthorhombischer Anisotropie
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PHN. 9^00 ψΊ{. 14.3.80
herstellen muss. In Schichten mit orthorhombischer Anisotropie ununterscheidet man eben der Richtung leichter
Magnetisierbarkeit senkrecht zur Ebene der Schicht Richtungen schwerer Magnetisierbarkeit in der Ebene der
Schicht mit zwei unterschiedlichen Schweregraden.
Diese Richtungen werden oft mit Richtung mittelschwerer und schwerer Magnetisierbarkeit bezeichnet. Es zeigt sich,
dass die Anisotropie in der Schichtebene, die eine Folge davon ist, einen gleichen geschwindigkeitserhöhenden Effekt
hat wie das an sich bekannte Anlegen eines Magnetfeldes parallel zur Schichtebene. Das Erfordernis des Anlegens
eines derartigen Feldes ist jedoch für eine Anzahl von Blasendomänenanwendungen unerwünscht.
Die erwähnte Veröffentlichung bezieht sich auf Blasendomänenschichten mit orthorhombischer Anisotropie,
die unter Kompression auf Gadolinium-Gallium-Granatsubstraten gezüchtet sind (GGG-Substräte). Die Schichten
enthalten Mangan an einem Teil der Eisenstellen im Gitter, um die gewünschten magnetoelastischen Eigenschaften zu
erhalten, während die erforderliche Kompression durch die Wahl der Seltenerdionen eingestellt wird. An der
Stelle, an der eine Schicht mit einer Zusammensetzung auf Basis von Yttrium-Eisen-Granat genau auf GGG passt,
muss man in diesem Fall ein Seltenerdion verwenden, das grosser als Yttrium ist, um eine bestimmte Kompression
einzustellen. Jedoch werden magnetische Eigenschaften, z.B. die Temperaturabhängigkeit der Magnetisierung, durch
die magnetischen Ionen bestimmt, die sich an den Eisenstellen und an den Stellen der Seltenerdionen befinden.
Dies bedeutet, dass die Kompression einer (Ytrfcrium)-Eisen-Granatschicht
auf einem GGG-Substrat nicht mit einem magnetischen Seltenerdion grosser als Yttrium,
z.B. Gadolinium oder Europium, eingestellt werden kann, ohne z.B. die Temperaturabhängigkeit der Magnetisierung
zu beeinflussen. Möchte man dagegen die Kompression einer (Yttrium)-Eisen-Granat-Schicht auf GGG mit Hilfe eines
nicht-magnetischen Seltenerdions grosser als Yttrium
einstellen, so steht nur Lanthan zur Verfügung.
030047/0840
PHN.9^00 V£. 14.3.80
Es hat sich jedoch herausgestellt, dass Lanthan und Mangan den gegenseitigen Einbau in die Schicht-beeinflussen,
wodurch in diesem Fall das Einstellen der Kompression die magnetelastischen Eigenschaften beeinflusst. In keinem
von beiden Fällen ist es also möglich, die Kompression einer epitaxialen (Yttrium)-Eisen-Granat-Schicht auf einem
GGG-Substrat unabhängig einzustellen. Dazu kommt noch, dass die Verwendung der magnetischen Seltenerdionen
Gadolinium und Europium für diesen Zweck den Nachteil einer Dämpfung der Blasendomänenbeweglichkeit mit sich
bringt, wobei auch die Gesamtmagnetisierung herabgesetzt wird, was für Schichten unvorteilhaft ist, in denen sehr
kleine (Submikron-)Blasendomänen erzeugt und angetrieben
werden müssen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine magnetische Blasendomänenstruktur mit einer manganhaltigen
Epitaxialschicht zu schaffen, die unter Kompression auf einem nicht-magnetischen Substrat gezüchtet ist, das
es ermöglicht, das gewünschte Mass der Kompression einzustellen, ohne dass dies nachteilige Konsequenzen für die
Temperaturabhängigkeit der Magnetisierung oder für die Verwirklichung von Submikron-Blaaendomänenwerkstoffen
oder für die Blasendomänenbeweglichkeit hat.
Diese Aufgabe wird bei der erfindungegemässen
magnetischen Struktur dadurch gelöst, dass der Substratwerkstoff eine Gitterkonstante zwischen 1,223 und 1,238 nm
hat.
Durch die Wahl eines Substratwerkstoffs mit einer Gitterkonstanten zwischen 1,223 und 1,238 nm,
(Yttrium-Gallium-Granat hat eine Gitterkonstante von 1,227 um) statt GGG mit einer Gitterkonstanten von
1,2382 nm, ist es z.B. möglich, Blasendomänenschichten
mit einer Zusammensetzung auf Basis von Lutetium-Eisen-Granat
zu verwenden. (Lutetium-Eisen-Granat passt genau auf das Yttrium-Gallium-Granat-Gitter). Um auf einem
Yttrium-Gallium-Granat-Substrat eine Schicht <* s einem
Werkstoff mit einer Luterium-Eisen-Granat-Zusammensetzung unter Kompression züchten zu können, muss in den Lutetium-
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;Γί 301Ί037
PHN.9^00 γ6>
14.3.80
Eisen-Granat ein Seltenerdion eingebaut werden, das grosser
als Lutetium ist. Hierfür eignet sich. Yttrium besonders,
das nicht magnetisch ist und somit die Temperaturabhängigkeit der Magnetisierung nicht beeinflusst, der
Verwirklichung von Submikronblasendomänenwerkstoffen nicht
im Wege steht und ausserdem die Blasendomänenbeweglichkeit
nicht beeinflusst.
Nicht magnetische Granatsubstratwerkstoffe,
die die erforderlichen Bedingungen erfüllen, sind neben
Yttrium-Gallium-Granat u.a. Terbium-Gallium-Granat (Gitterkonstante 1,235 nm), Dysprosium-Gallium-Granat
(Gitterkonstante 1,231 nm) und Calcium-Gallium-Germanium-Granat
(Gitterkonstante 1 ,225 nm). Auf dem letztgenannten
Substratwerkstoff könnte man sogar auf Luterium-Eisen-Granat basierende Schichten in Kompression züchten, ohne
dass der Einbau von Yttrium erforderlich wäre.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, die sich ebenfalls auf eine magnetische Blasendomänenanordnung mit
einer magnetischen Struktur nach obiger Beschreibung ·
bezieht, wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 im Schnitt schematisch eine Seitenansicht einer magnetischen Blasendomänenanordnung mit einer magnetischen
Struktur nach der Erfindung,
Fig. 2 ein Koordinatensystem, mit dem orthorhombische Anisotropie definiert wird.
Einkristalle von YoGa61O1P - Kristallen können,
grundsätzlich auf gleiche Weise wie Einkristalle von Gd-Ga6-O19 erzeugt werden. (Siehe beispielsweise 0'Kane,
Sadagopan und Giess, "Journal of the Electro Chemical Society», 120, (1973), S. 1272).
Einkristalle von Y„Ga_0.. _ wurden unter Verwendung
von Ausgangswerkstoffen hergestellt, die reiner als 99,99 # waren und durch Heizen bei 1000°C für 12 Stunden
getrocknet wurden. Die getrockneten Pulver wurden in einem Exsikkator aufbewahrt, bevor sie im entsprechenden
Verhältnis gewogen, gemischt und zu Tabletten verarbeitet
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PHN.9400 X *l· - 14.3.80
wurden, mit denen ein Tiegel, beispielsweise ein runder Behälter aus Iridium, bis zum Rand gefüllt wurde.
Der Tiegel wurde vor dem Schmelzen der Tabletten erhitzt, gekühlt, mit Tabletten nachgefüllt, erneut erhitzt, usw.
Dies muss in einer möglichst kleinen Anzahl von Durchgängen zum Schonen des Tiegels erfolgen. Dabei wurde der Tiegel
in einem Aufzugapparat angeordnet, auf entsprechende Weise
gegen WSrmeabstrahlung isoliert. Der Tiegel wurde mit Hilfe eines Hochfrequenzinduktionsgenerators bis gerade über den
Schmelzpunkt des YGa_0 erhitzt. Ein gut ausgerichteter
Keim, in diesem Falle mit (11 θ)-Orientierung, wurde über
der Schmelze abgesenkt, so dass er die Schmelzoberfläche gerade berührte. Die Leistung des Generators wurde genau
nachgeregelt, so dass der Keim nicht abschmolz und nicht
^ anwuchs. Danach wurde das Aufziehen des Keims angefangen,
wobei der Keim gedreht wurde. Hierbei war die Ziehgeschwindigkeit 4 5 mm pro Stunde, die Drehgeschwindigkeit
60 U./min., damit der Kristall, wenn er ausgewachsen ist, bis zu seiner endgültigen Dicke eine mehr oder weniger
flache Erstarrungsfront aufweist. Das Anwachsen und das weitere Konstanthalten des Durchmessers wurde mit Hilfe
einer Wagevorrichtung automatisch geregelt. Der Vorgang
wurde damit beendet, dass der Kristall mit grösserer
Geschwindigkeit hochgezogen, die Leistung des Generators
auf 0 gebracht, und der Kristall aus dem Gerät herausgenommen wurde.
Die Gasatmosphäre in der Kristallzüchtvorrichtung bestand beim Kristallzüchten aus einer Mischung von N„ und
2$ O2. In dieser Gaszusammensetzung liegt etwa das Optimum,
um eine störende Ga 0-Verdampfung und eine Oxidation des
Iridiumtiegels unter Verdampfung von IrO., zu verhindern.
Das Molverhältnis
* >
■
war nicht genau stöchiometrisch *■, sondern
(Brandle und Barns, Journal of Crystal Growth, _26 (1974),
S. 169). Indiesem Verhältnis wurden die Grundstoffe eingewogen.
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PHN. 9400 6^$ 1^.3.80
Eine Blasendomänenschicht 1 (Fig. 1) kann epitaxial auf einem Substrat 2 durch Abscheidung aus
der Gasphase (CVD) oder Epitaxie aus der flüssigen Phase (LPE) gezüchtet werden. LPE eignet sich besonders gut
zum Züchten von Granatschichten mit einer Richtung leichter Magnetisierbarkeit, die senkrecht zur Ebene
der Schicht steht.
Das Züchten von epitaxialen Schichten aus der flüssigen Phase verläuft wie folgt. In einem Öfen wird
ein Platintiegel mit einem Inhalt von z.B. 100 ml einer PbO-BpO^-Schmelze angeordnet, in der die erforderlichen
Oxide zum Züchten der Schicht" gelöst sind. Der Tiegelinhalt wird bis über die Sättigungstemperatur erhitzt und ständig
umgerührt, anschliessend wird auf die Wachstumstemperatur
abgekühlt. Ein Yttrium-Gallium-Granat-Substrat., gesägt und poliert gemäss einer Orientierung, die die gewünschte
Niederschlagsoberfläche schafft, wird in einem Platinhalter gebracht und für eine bestimmte Zeit in die Schmelze
eingetaucht. Sowohl das vertikale als auch das horizontale Eintauchverfahren des Substrats in die Schmelze kann angewendet
werden. Beim vertikalen Eintauchverfahren wird die Schmelze beim Aufwachsen der Schicht im allgemeinen nicht
umgerührt, während sie beim horizontalen Eintauchverfahren umgerührt wird. Wenn die Dicke der auf dem Substrat
gezüchteten Schicht gross genug ist, wird das Substrat aus der Schmelze herausgezogen. Mögliche Flussmittelreste
können mit einer verdünnten Salpetersäure-Eissensäure-Mischung entfernt werden.
Auf die oben beschriebene Weise werden eine Anzahl von Schichten gezüchtet, die der allgemeinen
Zusammensetzung
(Lu Y)„ (Fe Mn Ga)„0 entsprechen.
Diese Zusammensetzung ist zunächst deshalb gewählt, weil sie für die Aufgabe der Erfindung leicht
gezüchtet werden kann.
Ein kennzeichnendes Beispiel zum Züchten einer Schicht auf Basis der erwähnten Zusammensetzung wird im
Beispiel 1 gegeben:
030047/0640
PHN.9^00 Y\. 14.3.80
Zum Züchten einer Schicht mit der Zusammensetzung (Lu Υ)_ (Fe Ga Mn) _O 2 auf einem YGG-Substrat
wurde eine Schmelze aus folgenden Komponenten zusammengesetzt:
| PbO | 1200 | S |
| B2O3 | 25 | S |
| Fe2O3 | 100 | S |
| MnCO3 | 16 | S |
| Y2°3 | 3, | 75 s |
| Lu2O3 | 9 | S |
| Ga0O „ | 15 | S |
ο Die Temperatur, bei der das Substrat mit einer um 2 gegen eine eine (11O)-Fläche fehlorientierten Niederschlagoberfläche
für 1 Minute und 50 Sekunden horizontal in die Schmelze eingetaucht wurde, betrug 933°C. Das Substrat
wurde mit 120 Umdrehungen in der Minute um eine vertikale
Achse gedreht, wobei nach je 5 Umdrehungen die Drehrichtung gewechselt wurde. Ein Substrat mit einer geringen
u Fehlorientierung der Niederschlagsoberfläche in bezug auf
eine (i10)-Fläche war erforderlich, um bei der Verwendung
von Blei als Flussmittel eine ausreichend glatte Schicht zu erhalten. Die Dicke der gezüchteten Schicht betrug
— 3 2,16 /um, die Fehlanpassung war -1.6 χ 10 . Es wurden
'
folgende magnetische Eigenschaften gemessen
k Tt M = 300 Gauss
S -
B =s 2,05/um (B ist die Streifenbreite)
HcollaPs - 160 0-
_n Eine Versuchsserie bezog sich auf das Züchten von
Schichten auf Basis der allgemeinen Zusammensetzung (Ly Y Gd) (Fe Mn Ga)-O12 auf einer um 2° in bezug auf
eine (110)-Fläche fehlorientierten Oberfläche eines Yttrium-Gallium-Granat-Substrats und wird im Beispiel 2
g5 beschrieben.
BEISPIEL 2
BEISPIEL 2
Für das Wachstumsverfahren, das auf gleiche Ve se erfolgte
wie das oben beschriebene Wachstumsverfahren, wurde eine
Schmelze zusammengesetzt aus
030047/0640
PHN. 9400 X "" 14.3.80
| - | PbO | 1320 | /40- |
| B2°3 | 25,5 | S | |
| Fe2O3 | 120 | e | |
| Y2°3 | 3,75 | S | |
| Lu2O3 | 9,25 | S | |
| MnCO3 | 16,0 | S | |
| Ga2O3 | 16,0 | S | |
| S | |||
Die Wachsturnstemperatur betrug 947 C. Die in 3 Minuten
zu einer Dicke von 4,2/um gezüchtete Schicht wies eine
' -3
Fehlanpassung von -3,3 x 10 auf.
Es wurden folgende magnetische Eigenschaften gemessen:
| 47ΖΓ M3 = | 252 Gauss | K U |
4 I |
| B = | 3i | O^ | |
| H — collaps" ku(ooi) = |
1, | ■ = | |
| &(110) = | , 67 /um | ||
| «, ■ | H Oe ,65 x 10 |
||
| Q2 | -2,86 χ 1 | ||
| 21 | |||
7,14
« nfl1 x* *■
12,3
In Fig. 2 ist das Koordinatensystem dargestellt,
mit dem die orthorhombische Anisotropie üblicherweise
25
definiert wird.
Die magnetische Anisotropie-Energie F des Systems kann wie folgt geschrieben werden:
2 2 2
F = K sin θ + λ sin θ sin cP
u 7 -
κ stellt den Unterschied in der Energie zwischen der Richtung der leichten Magnetisierbarkeit ζ
und der Richtung der mittelschweren Magnetisierbarkeit χ
dar, während^ den Unterschied in der Energie zwischen
derRichtung der mittelschweren Magnetisierbarkeit χ und der Richtung der schweren Magnetisierbarkeit y darstellt,
θ und Cpsind die Winkel, die die Vektoren der Richtung der
Magnetisierung M und der Richtung der leichten Magnetisierbarkeit ζ bzw. der Richtung der mittelschweren Magnetisierbarkeit
χ einschliessen.
030047/0640
PHN.9^00 ß^4^' 14.3.80
Die Domänengeschwindigkeit wird mit Hilfe der sogenannten "bubble collapse" Technik gemessen (siehe
A.H. Bobeck et al, Proceedings 1 97O Conference Ferrites,
Kyoto, Japan, S. 361). Bei dieser Technik wird das von
einer Quelle 5 erzeugte Vorspannungsfeld Hp (Fig. 1),
das zur Bildung einer stabilen Blasendomäne 3 erforderlich ist, mit Hilfe eines Feldimpulses H derart vergrössert,
dass das Gesamtfeld einen Wert hat, der grosser als der des statischen Kollapsfeldes ist. Bei dem Feldimpuls
verringert sich der Radius der Blasendomäne 3 vom ursprünglichen
Wert R1 auf einen geringeren Wert R„, der durch die
Breite des Impulses bestimmt wird. Wenn zum Zeitpunkt des Ausschaltens des Impulsfeldes H der Radius R2 der Blasendomäne
grosser als der Radius RQ ist, wobei sie instabil
wird, dehnt sich die Blasendomäne wieder zu ihrem ursprünglichen Radius R1 aus. Wenn zum Zeitpunkt des Ausschaltens
des Impulsfeldes R_ kleiner als R0 ist, schrumpft
die Blasendomäne wieder ("Kollaps") und verschwindet schliesslich. Zu einer gegebenen Impulsamplitude gehört
eine kritische Impulsbreite, wobei Rp genau gleich RQ ist.
Diese Impulsbreite wird als Blasendomänen-Kollapszeit "f '
bezeichnet. Die Domänenwandgeschwindigkeit wird dabei
durch ^p gegeben, wobei R = R1 - RQ ist.
Weitere Kennzeichen einer Blasendomänenanordnung gemäss Fig. 1 sind eine Schicht K, die ein Antriebsmuster
definiert, und elektromagnetische Mittel 6 zum Erzeugen eines Blasendomänen-Antriebsfelds.
030047/0640
• A.
Leerseite
Claims (2)
- PHN.9^00 ψ 14.3.80"PATENTANSPRÜCHE":1J Magnetische Struktur, die zum Bewegen einwandiger magnetischer Domänen geeignet ist mit einem monokristallinen nicht magnetischen Substrat, das eine zum Niederschlagen einer Schicht bestimmte Oberfläche hat, die im wesentlichen parallel zur (iio)-Fläche verläuft, und mit einer Schicht monokristallinen magnetischen Werkstoffs, bestehd aus einem Seltenerd-Eisen-Granat3+mit teilweiser Substitution vom Mn -Ionen an Eisenstellen, die auf der Niederschlagsfläche unter Kompression mit einer Richtung leichter Magnetisierbarkeit entsprechend einer Achse im wesentlichen senkrecht zur Ebene der Schicht und mit einer Richtung mittelschwerer Magnetisierbarkeit entsprechend einer Achse in der Ebene der Schicht gezüchtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Substratwerkstoff eine Gitterkonstante zwischen 1,223 und 1,238 nm hat.
- 2. Magnetische Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Substratwerkstoff Yttrium-Gallium-Granat ist mit einer Gitterkonstante von 1,227 um. 3· Magnetische Struktur nach Anspruch 2, dadurch2^ gekennzeichnet, dass der magnetische Werkstoff eine Zusammensetzung hat, die der allgemeinen Formel (Lu, R)_ Fe_ Mn O12 entspricht, wobei R ein Seltenerdbestandteil ist, der zumindest ein Seltenerdion grosser als Lutefeium enthält und wobei y έ 0,15 ist.k. Magnetische Struktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Seltenerdbestandteil R zumindest Yttrium enthält.5· Magnetische Blasendomänenanordnung nit einer magnetischen Struktur nach Anspruch 1, 2, 3 oder h, wobei3^ die magnetische Schicht der Struktur mit einem Muster versehen ist, das Blasendomänen-Bewegungselemer β definiert und wobei die Anordnung weiter eine Quelle zum Erzeugen030047/06&ÖPHN. 9kOQ Γ ^l 14.3.80eines Magnetfeldes zur Bildung magnetischer Blasendomänen und elektromagnetische Mittel zum Erzeugen eines Blasendomänen-Antriebsfelds enthält.Ö30047/0840
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