JP2739736B2 - 磁性体装置 - Google Patents

磁性体装置

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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] この発明は、磁性体薄膜の磁気的秩序・無秩序相転移
に伴う旋光能の変化を利用した磁性体装置に関する。こ
のような磁性体装置は表示素子等に用いられる光シャッ
タ等に応用される。
[従来の技術及びその課題] 従来、光シャッタとしては機械的シャッタ、液晶シャ
ッタ及び強誘電体シャッタが知られている。
機械的シャッタは、遮光板を機械的に動作させるもの
であり、遮光能が高いという利点を有しており、カメラ
等に用いられている。
液晶シャッタは微細化が可能であるという利点を有し
ており、時計、電卓、液晶テレビ用表示素子、光プリン
タ用記録ヘッド等に用いられている。
強誘電体シャッタは、PLZT等の強誘電体の強誘電特性
と遮光性とを利用したシャッタであり、液晶シャッタと
異なり全体を固体化することが可能であり、大面積のシ
ャッタとして利用することができるという利点がある。
[発明が解決しようとする課題] しかしながら、これらのシャッタは以下のような欠点
を有する。即ち、機械的シャッタは、微細化が困難であ
り、またシャッタ速度が最高1msec程度で高速化が要求
される用途には使用することができない。液晶シャッタ
は、大面積化が困難であり、また、液晶の分子運動を利
用するためシャッタ速度は10μsecが限度である。更
に、強誘電体シャッタは、電界を強誘電体薄膜の面に平
行に印加しなければならないため微細化に不向きであ
り、また電気的双極子を発生させるための結晶の変形を
起させる必要があるのでシャッタ速度は100nsecが限界
である。
このように、従来の光シャッタでは、高速化、微細
化、及び大画面化を同時に満たすことが困難であるとい
う問題点がある。
この発明は以上のような事情に鑑みてなされたもので
あって、1nsecレベルの高速化、素子数100M/cm2レベル
の微細化、及び大型化が可能な光シャッタとして用いる
ことができる磁性体装置を提供することを目的とする。
[課題を解決するための手段] この発明に係る磁性体装置は、無電場時での磁気的秩
序・無秩序相転移温度が動作温度に対し低い温度に設定
された磁性体薄膜と、磁性体薄膜に電場を印加し、この
電場に応じて前記磁性体薄膜の磁気的秩序・無秩序相転
移温度を変化させるための電極と、前記磁性体薄膜の磁
気光学効果による旋光能に応じて光透過状態又は光非透
過状態を生じさせる光制御手段と、を有することを特徴
とする。
[作用] 磁性体は、その磁気的秩序・無秩序相転移温度を境に
して磁気光学効果が著しく変化する。また、磁性体、特
に、磁性半導体及び半金属的磁性体に電場を印加するこ
とにより磁気的秩序・無秩序相転移温度を大きく変化さ
せることができる。一方、この発明においては磁性体薄
膜に光を照射すると、光制御手段により、照射した光を
磁性体薄膜の磁気光学効果による旋光能に応じて透過状
態又は非透過状態にすることができる。従って、磁性体
薄膜に電極を介して電場を印加して磁気的秩序・無秩序
相転移温度を動作温度を挟んで変化させることにより選
択的に光を通過及び遮断させることができ、光シャッタ
等への応用が可能となる。この場合に、磁気光学効果を
利用しているから1nsecレベルの高速化が可能であり、
また、薄膜を利用しているため微細化、及び大型化に対
応することができる。
[実施例] 以下、この発明について具体的に説明する。
磁性体は、それに電場が印加されることにより、その
磁気的秩序・無秩序相転移温度(強磁性体におけるキュ
リー温度TC、又は反強磁性体におけるネール温度TNをい
う。)が変化し得る。また、磁気光学効果による旋光
能、例えばファラデー回転角は、磁気的秩序・無秩序相
転移温度以上の温度で実質的に0であり、これより低い
温度で十分大きい値となる。従って、電場により磁気的
秩序・無秩序相転移温度を動作温度を境にして変化させ
ることにより、ファラデー回転角が0と一定の有限値と
の間で変化する。従って、偏光子及び検光子等の光制御
手段により磁性体薄膜に照射した光を旋光能に応じて透
過又は遮断させることができる。この場合に、磁性体の
電場非印加時の磁気的秩序・無秩序相転移温度がこの素
子の動作温度に存在することが好ましい。この場合に
は、電場のオン・オフのみでシャッタとして動作させる
ことが可能である。通常は、装置の動作温度は室温付近
であるから磁気的秩序・無秩序相転移温度、即ちTC及び
TNが室温付近にあることが好ましい。
以下に、上述したような動作の原理を、磁性半導体及
び半金属的磁性体を例にとって詳細に説明する。
磁性半導体は、例えばユーロピウム(63Eu)のカルコ
ゲン化合物は、格子点の位置によく局在した磁気モーメ
ントを有している(上例の場合は8S7/2の状態に対応し
たモーメント)。この局在磁気モーメント間の相互作用
が強磁性及び反強磁性等の磁気的秩序、及び磁気的秩序
・無秩序相転移温度を決定する。一方、有限温度におい
て、又は不純物若しくは格子欠陥の存在下において、磁
性半導体には伝導電子が存在する。この伝導電子は以下
に示すような理由により磁性半導体の磁気的秩序に影響
する。
伝導電子を仲介することにより局在磁気モーメント
間相互作用が増大する(磁気的秩序・無秩序相転移温度
の電子濃度増大に伴う増大)。
伝導電子スピンと局在磁気モーメントとの間の相互
作用は、局在モーメント系に対する外磁場と同等とな
り、磁性半導体に外磁場を印加した場合と同様、局在モ
ーメントを整列させる。
上述したの相互作用は逆に伝導電子に対するポテ
ンシャルエネルギを有効的に与え、磁気的秩序がある場
合、伝導電子系のエネルギを下げる。
これら乃至は無撞着に生起しているため、系全体
の自由エネルギを最小にするように磁気的秩序状態が決
定され、伝導電子密度に対して系の磁気的秩序・無秩序
相転移温度が一義的に決定される。従って、電場を印加
して伝導電子密度を変化させることにより磁気的秩序・
無秩序相転移温度を変化させることができる。
一方、磁性半導体は、一般に磁気的秩序相における旋
光能は大きく(例えば、前記ユーロピウムカルコゲナイ
ドではファラデー回転角が4.5×105deg/cm)、無秩序相
では0となる。即ち、磁気的秩序・無秩序相転移温度の
上下で旋光能が大きく変化する。
従って、以下の(1)、(2)に示すように動作させ
ることにより、光シャッタとして機能させることができ
る。
(1)磁性半導体中に伝導電子数密度が高い領域を形成
する(通常の半導体のn型領域に対応する)。この部分
の磁気的秩序・無秩序相転移温度は高く、局在磁気モー
メントは整列し、秩序状態となる。この状態で磁性半導
体に外部電場を印加して伝導電子数密度を減少させる
(通常の半導体の欠乏層に対応する)と、磁気的秩序・
無秩序相転移温度は低下し、素子の動作温度で局在磁気
モーメントを秩序状態から無秩序状態へ変化させること
ができる。これにより、旋光能が大きく変化する。
(2)磁性半導体を磁気的秩序・無秩序相転移温度より
も僅かに高い温度(転移温度よりも10%程度高い温度)
に保持して磁気的無秩序状態にし、外部から電場を印加
して伝導電子数密度が大きい領域(通常の半導体の蓄積
層に対応)を形成する。この領域は磁気的秩序・無秩序
相転移温度が上昇し、磁気的秩序状態となり旋光能が発
生する。
これら(1)、(2)において、偏光子及び検光子等
により、旋光能が0の状態で光を遮断し、旋光能が発生
した状態で光を透過させることにより、シャッタとして
の機能を得ることができる。
半金属的磁性体は、半金属的であるため、伝導帯と価
電子帯との間の禁制帯幅は負であるか、又は正であって
も非常に小さい。また、絶対零度においても有限の伝導
電子が存在すると考えられている。このような半金属的
磁性体としては、例えばGd4Sb3、Gd5Sb3、Gd4Bi3、Gd5B
i3がある。これらは格子点位置によく局在した磁気モー
メントを有し、いずれもTCが室温付近(Gd4Sb3及びGd5S
b3は約260K、Gd4Bi3及びGd5Bi3は約340K)にある強磁性
体である。一方、同じ半金属的合金であるGdSb又はGdBi
は、TNが約10Kと低い反強磁性体である。このことはGdX
Sb(1≦x≦5/3)又はGdXBi(1≦x≦5/3)のxの値
により磁気的秩序・無秩序相転移温度が急激に変化する
ことを意味する。この場合に、このxの値は単純に伝導
電子数密度の変化を示すものであり、この伝導電子数密
度はxの減少に伴って減少する。Gd、Sb及びBiの電気陰
性度は夫々1.1、1.9及び1.9であるから、前述の合金に
おいてGdは正イオン的、Sb及びBiは負イオン的になって
おり、半金属的ではあっても単体半金属とは異なり、半
導体的性質を兼備えている。更に、上述した半金属的磁
性体、特にGdXSb(x=4/3又は5/3)及びGdXBi(x=4/
3又は5/3)はGdの空格子点が生じ易く、局所的電気的中
性(local charge neutrarity)は破られていて、電子
数密度の空間的ゆらぎが大きくなっている。この状態で
外部電場を印加することにより局所電子数密度を安定な
状態から大きく変化させることが可能である。系の磁性
及び磁気的秩序・無秩序相転移温度はその安定な状態に
対して一義的に決まっているため、外部電場の印加によ
り電子数密度に依存した磁気的秩序・無秩序相転移温度
を大きく変化させることができる。これら材料の旋光
能、例えばファラデー回転角は磁気的秩序・無秩序層転
移温度より低い温度で約105deg/cmと大きく、この温度
以上で実質的に0となる。従って、動作温度を挟んで磁
気的秩序・無秩序相転移温度を変化させれば、前述した
ように光シャッタとして機能させることができる。
次に、この発明の実施例について具体的に説明する。
第1図はこの発明の磁性体装置を利用した光シャッタを
示す概略構成図である。第1図中、参照符号10は薄膜素
子を示し、この薄膜素子10は透明基板1の上に磁性体薄
膜2、透明絶縁体3及び透明電極4をこの順に堆積して
構成されている。なお、この薄膜素子10の各層は通常の
薄膜技術で形成することができる。
磁性体薄膜2は、例えば前述したような磁性半導体又
は半金属的磁性体で形成されており、電源7から電場が
印加されるようになっている。この薄膜2が磁性半導体
で形成されている場合には、このような電場の印加によ
り電極4の直下に空乏層又は蓄積層が形成され、MIS型
半導体と同様の構造となる。なお、必要に応じて大体積
の導電体で構成された電子供給体9を電源7と磁性薄膜
2との間に接続してもよい。この電子供給体9は、系全
体の電気的中性を保証するためのものであり、これによ
り磁性体薄膜2の電子数密度を制御することができる。
つまり、この電子供給体9は、薄膜2に多量の電子を供
給したり、薄膜2から多量の電子を吸取る機能を有して
いる。この電子供給体9により空乏層又は蓄積層を広げ
て旋光能を大きくすることができるので、電子供給体9
は特に薄膜2が磁性半導体の場合に有用である。
薄膜素子10の上下には、夫々偏光子5及び検光子6が
設けられている。偏光子5は照射される光Lを特定の方
向の直線偏光にする作用を有している。また、検光子6
は特定の直線偏光光を透過させる機能を有しており、薄
膜2が磁気的秩序・無秩序相転移温度以下の場合の旋光
能に対応した光を透過させ、他の光は遮断するようにな
っている。即ち、これら偏光子5及び検光子6は、光を
選択的に透過状態及び遮断状態にする光制御装置として
機能する。なお、光Lを照射する光源として半導体レー
ザ発振装置等を使用する場合には、特定の方向に偏向し
た光を照射することが可能であるから、偏光子は不要で
ある。
このように構成された磁性体装置においては、先ず、
図示しない光源から偏光子5を介して薄膜素子10に膜面
に垂直に光Lを照射する。この光Lは、電極4及び絶縁
層3を透過して磁性体薄膜2に照射される。この光L
は、薄膜2の温度が磁気的秩序・無秩序層転移温度より
も低い場合には、ファラデー効果によりその旋光能に応
じて所定角度旋光し、その温度以上の場合には旋光しな
い。この場合に、旋光能を調節するためには、スイッチ
8による電源7のオン・オフにより磁性体薄膜2に電場
を印加し、又は印加した電場を解除して、磁性体薄膜2
の磁気的秩序・無秩序相転移温度を調節することにより
なされる。このようにして磁性体薄膜2を透過した光L
は、更に基板1を透過して検光子6に至る。そして、検
光子6により、例えば旋光した光のみを透過するように
すれば、光Lの透過及び遮断が可能となり、光シャッタ
としての適用が可能となる。
なお、第2図に示すように、第1図の検光子6の位置
に反射部材16を設けることもできる。この場合には、光
Lは偏光子5を透過し、薄膜素子10を透過した後、反射
部材16で反射して再び薄膜10を通過し、光Lが旋光して
いない場合には偏光子5を透過し、旋光している場合に
は偏光子5によって遮断される。このように構成するこ
とによりファラデー回転角を大きくすることができ、オ
ン・オフ比が増加するという利点がある。
また、第3図に示すように、電極4と磁性体薄膜2と
が逆であってもよい。更に、第4図に示すように、薄膜
状の透明電子供給体19を磁性体薄膜2に隣接して設けて
構成することもできる。
なお、磁性体薄膜2が半金属的磁性体である場合に
は、この材料の光透過率が比較的低い。従って、シャッ
タとしてより高いオン・オフ比を得るために、第5図に
示すように、磁性体薄膜2と絶縁体3とを交互に積層す
ることもできる。これにより、光の多重反射によって光
透過率を高めることができる。
以上説明した磁性体装置を表示素子として使用する場
合には、第6図に示すように、複数の電極4を設け、各
電極を別個にスイッチ8によりオン・オフするようにす
ればよい。
また、この半導体装置は可変温度検出装置として利用
することもできる。第7図はこの発明の磁性体装置を利
用した可変温度検出装置を示す概略構成図である。第1
図と同じものには同じ符号を付して説明を省略する。電
極4と電源7との間には可変抵抗22が設けられており、
薄膜2に印加する電場を連続的に変化させる。参照符号
21は光検出装置であり、この光検出装置21により光Lが
検光子6を通過したか否かを検出する。この検出装置21
からの検出信号はコントローラ23に出力される。前述し
たように、光Lが検光子6を通過するか否かは、磁性体
薄膜2が旋光能を有しているか否かで決定され、これは
薄膜の温度がその磁気的秩序・無秩序相転移温度よりも
高いか低いかで決定される。従って、検出装置21が光を
検出した場合、即ち薄膜の温度が磁気的秩序・無秩序相
転移温度よりも低い場合に、コントローラ23から可変抵
抗22に信号を出力して薄膜2の磁気的秩序・無秩序相転
移温度を下げるような方向に抵抗を調節し、これを光透
過がなくなるまで続ける。反対に検出装置21が光を検出
しない場合には、可変抵抗22を磁気的秩序・無秩序相転
移温度を上げるような方向に抵抗を調節する。このよう
にして、磁性体薄膜2の磁気的秩序・無秩序相転移温度
を制御すると、その値が薄膜2の温度を示していること
になる。従って、可変抵抗22からの信号をコントローラ
23に出力し、その値から磁気的秩序・無秩序相転移温度
を算出し、表示装置24にてその温度を表示すればよい。
なお、上述の磁性体装置から偏光子及び検光子を徐い
たものは、磁気メモリとしても利用することができる。
[発明の効果] この発明によれば、磁性体薄膜に電場を印加すること
により、その磁気的秩序・無秩序相転移温度を変化させ
てその磁気光学効果による旋光能を変化させることがで
きる。従って、照射した光を磁性体薄膜の磁気光学効果
による旋光能に応じて透過状態又は非透過状態にするこ
とができ、光シャッタとして利用することができる。こ
の場合に、磁気光学効果を利用しているから1nsecレベ
ルの高速化が可能であり、また、薄膜を利用しているた
め微細化、及び大型化に対応することができる。この発
明に係る磁性体装置は、更に、可変温度検出装置として
も利用が可能である。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の磁性体装置を利用した光シャッタを
示す概略構成図、第2図乃至第5図はその変形例を示す
図、第6図は第1図に示す光シャッタを利用した表示素
子を示す概略構成図、第7図はこの発明の磁性体装置を
利用した可変温度検出装置を示す概略構成図である。 1……基板、2……磁性体薄膜、3……絶縁体、4……
電極、5……偏光子、6……検光子、7……電源。

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】無電場時での磁気的秩序・無秩序相転移温
    度が動作温度に対し低い温度に設定された磁性体薄膜
    と、磁性体薄膜に電場を印加し、この電場に応じて前記
    磁性体薄膜の磁気的秩序・無秩序相転移温度を変化させ
    るための電極と、前記磁性体薄膜の磁気光学効果による
    旋光能に応じて光透過状態又は光非透過状態を生じさせ
    る光制御手段と、を有することを特徴とする磁性体装
    置。
  2. 【請求項2】前記磁性体薄膜は、磁性半導体で形成され
    ていることを特徴とする請求項第1項に記載の磁性体装
    置。
  3. 【請求項3】前記磁性半導体は、Euのカルコゲン化合物
    であることを特徴とする請求項第2項に記載の磁性体装
    置。
  4. 【請求項4】前記磁性体薄膜は、半金属的磁性体で形成
    されていることを特徴とする請求項第1項に記載の磁性
    体装置。
  5. 【請求項5】前記半金属的磁性体は、Gd4Sb3Gd5Sb3,Gd4
    Bi3,及びGd5Bi3から選択された少なくとも1種の材料で
    あることを特徴とする請求項第4項に記載の磁性体装
    置。
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