JP3753853B2 - 磁気光学素子及び磁気光学デバイス - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大きな磁気光学効果を生じさせることができ、各種分野に有用に応用し得る磁気光学素子及び磁気光学デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁性体を磁化し、磁化方向に平行に直線偏光を入射させると、その直線偏光は磁性体を通過することにより光の偏光面が回転されることはファラデー効果として知られている。このようなファラデー効果を有する材料を用いて磁気記録媒体（磁気光学素子）などが作られている。
【０００３】
例えば、特開昭５６−１５１２５号公報によればイットリウム及び希土類鉄ガーネットとその誘電体を用いた磁気記録媒体、特開昭６１−８９６０５号公報によれば六方晶フェライトを用いた磁気記録媒体、特開昭６２−１１９７５８号公報によればイットリウム鉄ガーネット粒子を用いた塗布型磁気記録媒体、特開平４−１３２０２９号公報によれば希土類鉄ガーネット微粒子を用いた塗布型磁気記録媒体等が開示されている。これらの磁気記録媒体は、磁性体或は磁性体微粒子を基体上に薄膜状に記録層として形成した構造を有している。このような磁気記録媒体によれば、記録・消去・読出しを良好に行うことができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、これらの公報類に開示された従来の磁気記録媒体による場合、記録・消去・読出しなるメモリ的な使用に限られてしまい、ディスプレイ等の他の用途への応用・転用には不向きなものである。また、メモリ的な使用に関しても、必ずしも十分大きな磁気光学効果が得られるわけではなく、読出し等のＳ／Ｎがよいとは限らない。
【０００５】
そこで、本発明は、極めて大きな磁気光学効果を得ることができ、各種分野への応用に有用な磁気光学素子を提供することを目的とする。また、本発明は、透過型・反射型を問わずディスプレイ等に応用し得る他、位相板、ビームスプリッタ、光シャッタ等に応用し得る磁気光学素子及び磁気光学デバイスを提供することを目的とする。また、本発明は、コントラストの向上や多色表示でき、薄型化を図れるディスプレイ化が可能な磁気光学素子及び磁気光学デバイスを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明の磁気光学素子は、光を回折させる基板の表面を凹凸形状とした直線状のグレーティング構造と、このグレーティング構造上に形成された透明磁性膜とを備え、前記透明磁性膜は、平均粒子径が２００Å以下のＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ又はこれらの合金の微粒子を含み、前記グレーティング構造は、そのピッチ及び溝深さの異なる複数種類を有し、可視光の複数の波長に対して回折によってそれぞれ偏光面回転の増大を生じさせて大きな磁気光学効果を得る。従って、グレーティング構造上に透明磁性膜を設けることにより、光を入射させた場合に回折によって偏光面回転の増大が生ずることで、極めて大きな磁気光学効果が得られ、元々磁気光学効果の大きい材料を微粒子にして用いるので、透明磁性膜を薄くすることができ、光透過率が向上してコントラストの増大に寄与し得る上に、磁気光学効果の増大にも寄与し、ディスプレイ等への適用により適するものとなり、また、磁気光学効果を増大させ得る適用波長域が広がることになり、多色表示のディスプレイ等への適用に適したものとなる。
【０００９】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の磁気光学素子が、さらに透明磁性膜の外周に配設されてこの透明磁性膜に磁界を印加する空芯構造のコイルを備える。従って、透明磁性膜に効率よく磁界を印加し得る上に、コイルが同一平面上に配設されているので、磁界印加手段を含めて素子の薄型化を図ることができる。この場合、空芯構造であり、磁芯を作製する必要がないので、作製が容易な上に、透明磁性膜に対する記録と消去とをコイルに流す電流の向きを変えるだけで簡単に行える。
【００１０】
請求項３記載の発明の磁気光学素子は、膜面に垂直な方向に磁気異方性を示す透明磁性膜と、透明磁性膜の外周に配設されてこの透明磁性膜に磁界を印加する空芯構造のコイルを備える。従って、膜面に垂直な方向に磁気異方性を示す透明磁性膜に対してその周囲に配設された空芯構造のコイルにより磁界を印加するようにしたので、光を入射させた場合に透明磁性膜の電子スピンと光とが平行のときに最大の磁気光学効果を得ることができ、コントラストが高く薄型のディスプレイ等に応用し得る。
【００１１】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の磁気光学素子のコイルが、透明導電膜と透明絶縁膜との積層構造よりなる。従って、コイル部分を含めて素子全体の光透過率が高くなり、ディスプレイ等へ適用するに当り、一層の高コントラスト化を図れる。
【００１２】
請求項５記載の発明の磁気光学デバイスは、請求項１，２，３又は４記載の磁気光学素子と、この磁気光学素子の両面を挾む一対の偏光子とを備える。従って、コントラストの高い透過型の磁気光学デバイスとなり、透過型のディスプレイ、光シャッタ等に応用し得る。
【００１３】
請求項６記載の発明の磁気光学テバイスは、請求項１，２，３又は４記載の磁気光学素子と、この磁気光学素子の一面側に配設される偏光子と、前記磁気光学素子の他面側に配設される反射膜とを備える。従って、コントラストの高い反射型の磁気光学デバイスとなり、反射型のディスプレイ等に応用し得る。特に、反射膜により光路が往復されることで磁気光学素子における磁気光学効果が倍増され、極めてコントラストの高いデバイスとなる。
【００１４】
請求項７記載の発明は、請求項５又は６記載の磁気光学デバイスの磁気光学素子が、同一の透明基板上に複数個が配設されている。従って、磁気光学デバイスにおいて個々の磁気光学素子を個別に点滅させることでデジタル表示のディスプレイ等に応用し得る。
【００１５】
請求項８記載の発明は、請求項７記載の磁気光学デバイスにおけるグレーティング構造を有する複数個の磁気光学素子が、その０次回折光の透過軸方向が磁気光学素子毎に少しずつ異なる。従って、グレーティング構造によっては入射角依存性を有し、ディスプレイ等に応用した場合、視野角が特定の方位に制約されるが、透過軸方向が磁気光学素子毎に少しずつ異なっているので、視野角が広くなる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図１ないし図５に基づいて説明する。
図１は、本実施の形態の磁気光学素子１の基本的構成例を模式的に示すもので、透明な基板２の表面を凹凸形状とした直線状のグレーティング構造３と、このグレーティング構造３の表面上に薄膜形成された透明磁性膜４とを備えた構成とされている。グレーティング構造３は例えば図１（ａ）に示すように矩形状凹凸の繰返し構造であってもよいが、このような構造に限らず、適宜形状のもの、例えば、図１（ｂ）に示すような山形状凹凸の繰返し構造であってもよい。この他、三角波形状、正弦波形状等であってもよい。
【００１７】
本実施の形態では、このようなグレーティング構造３上に透明磁性膜４を設けることで、透過光に対して極めて大きな磁気光学効果を発揮させることを基本的な特長とする。本発明者によれば、例えば、膜厚１０００Åの単なる透明磁性膜の磁気光学効果（直線偏光を通過させたとき、偏光面の回転が生ずる効果）は０．１°程度で極めて小さいが、本実施の形態の如く、膜厚１０００Åの透明磁性膜４をグレーティング構造３上に設けると磁気光学効果が３０°程度回転することになり、約３００倍も増大することが見い出されたものである。この場合、透明磁性膜４に＋の磁界を印加して０に戻したとき、＋３０°回転すると、−の磁界を印加して０に戻した場合には−３０°回転することになり、その差は６０°となる。このような磁気光学素子１だけであっても例えば２枚の偏光子でサンドイッチ構造にすれば、十分なコントラストが得られるが、さらに、磁気光学素子１に対して反射膜を組合せれば、光路が往復することで２倍となるので、上記の条件例で１２０°回転することとなり、十分なるクロスニコルの直交配置の条件が得られる。即ち、＋磁化部と−磁化部とで大きなコントラストが得られる。これが、本実施の形態における基本的な画像発現原理である。本実施の形態のような磁気光学素子１の構造により、何故、偏光面回転角が増大するかは明らかではないが、グレーティング構造３により回折が生じることが必須条件である。また、極めて大きな磁気光学効果は回折を生ずる波長の光で得られる（つまり、波長依存性を有する）。
【００１８】
従って、本実施の形態の磁気光学素子１は、ディスプレイへの応用を考慮した場合、主に可視光が適用対象の光となるが、レーザ光のような単色光を用いるものとすれば、戻り光をなくすアイソレータ等への適用も可能となる。もっとも、本実施の形態の磁気光学素子１は、原理的には、波長の長短は無関係な現象であり、グレーティング構造３が回折を生ずるように波長と同等又はそれ以下に微細であればよく、グレーティング構造３を形成するための微細加工技術が進めば可視光以外の短波長であっても適用可能といえる。また、後述するような偏光子との組合せは、ディスプレイへの適用に際しては必要といえるが、磁気光学素子１単独で単色光を用いる場合であれば位相板やビームスプリッタ等への適用も可能といえる。
【００１９】
ここで、磁気光学素子１を構成する上で、グレーティング構造３は必ずしも目的とする素子の全面に渡って形成する必要はなく、例えば、図２に示すように、その一部にだけ形成するようにしてもよい。ディスプレイに応用する場合であっても、素子全面ではなく、ドットにコントラストがあれば十分である。グレーティング構造３を部分的に形成する場合のサイズとしては特に制約はないが、直径６〜６００μｍ程度が好ましく、本実施の形態では、例えば直径１００μｍ程度のサイズに分割されている。形状的にも任意であり、円形状、四角形状等であってよく、特に、後述するように磁気ヘッドとして渦巻状のコイルを周囲に配設する上では図３に示すように円形状が好ましい。図２及び図３に示す例では、直径１００μｍ位の円形状部分にピッチ２μｍ位、溝深さ０．４μｍ位のグレーティング構造３が形成され、このグレーティング構造３上に膜厚１０００Å程度に透明磁性膜４が形成されている。
【００２０】
また、本実施の形態の磁気光学素子１では、図２及び図３に示すように、グレーティング構造３及び透明磁性膜４の外周に位置させて基板２上に磁気ヘッドとして機能するコイル５が形成されている。このコイル５はグレーティング構造３部分を磁芯とする如く渦巻状にパターン形成された空芯構造のものである。具体的には、透明性の高いＩＴＯ膜等の透明導電膜６と絶縁性プラスチックのような透明絶縁膜７との積層構造として形成されている。コイル５の巻数は、透明磁性膜４の磁気特性や、グレーティング構造３部分の面積（コイル径）等にもよるが、５〜１０ターン程度が好ましい。即ち、一般にこの種の磁気光学素子では磁性膜に磁気的な記録・消去を行うための磁気ヘッドを、磁気光学素子に対して、別途切離し自在に設けている。これは、画像を記録した後は磁気ヘッドを切離すことで磁気光学素子の携帯性を向上させたり、磁気光学素子自体の作製を容易にするためであるが、反面、切離し自在な磁気ヘッドによると位置合わせが難しく磁気光学素子の同じ箇所に再記録したり前の画像を消去することが困難であり、素子自体も磁気ヘッドの厚み分を加えた厚みとなるため、厚めになりやすい欠点がある。さらには、大きな磁束密度を外部に取り出すため、パーマロイ等の高透磁率材料を磁芯としＡｕコイルを巻回してなる構造の磁気ヘッドを用いる場合が多い。この点、本実施の形態では、空芯構造のコイル５を用いて磁界を発生させているが、コイル５の中心に対象となる透明磁性膜４を位置させているので磁束を有効に利用できる。よって、磁芯を作製しない分、コイル５の作製が容易な上に、グレーティング構造３の周囲にコイル５も一体化させているので、磁気光学素子１として薄型化構造を容易に実現できる。加えて、コイル５に流す電流の方向を変えるだけで、記録と消去とを切換えることができる。よって、空間変調素子として応用することも可能となる。
【００２１】
ここで、図２に示す例では、上記のようなコイル５を備えた磁気光学素子１の表裏両面に一対の偏光子９，１０を配設することにより透過型の磁気光学デバイス１１として構成されている。これにより、透過型のディスプレイや光シャッタへの適用が可能とされている。
【００２２】
この際、特に図示しないが、磁気光学素子１を複数個とし、これらの磁気光学素子１を、同一の透明基板上に２次元的に配設させた磁気光学デバイス構成とすれば、個々の磁気光学素子１を点滅（磁化の有無を切換える）させれば、デジタル表示可能なディスプレイとして利用できる。また、０次光の回折効率や回折減衰などはグレーティング構造３のピッチ、溝深さ等により変更し得ることは知られているので、グレーティング構造３に関して、そのピッチ及び溝深さを異ならせた複数種類のグレーティング構造を形成しておけば、磁気光学効果を増大させ得る波長域を広げることができる。例えば、５００ｎｍの波長光と６００ｎｍの波長光とで回折するように２種類のグレーティング構造を作り込んでおけば、２色の光に対してスイッチングすることができる。さらに、Ｒ，Ｇ，Ｂの３色の光の波長に対応させて３種類のグレーティング構造を作り込んでおけば、カラーフィルタ不要の明るいカラーディスプレイ化を図れる。
【００２３】
さらに、グレーティング構造３に関しては、前述したようにその凹凸形状を問わないが、例えば、正弦波形状に形成した場合、光の入射角によって磁気光学効果の増大率が異なるという入射角依存性を有する。この点を考慮した場合には、例えば、図４に示すように、グレーティング構造３を有する複数個の磁気光学素子１に関して、その０次回折光の透過軸方向を磁気光学素子１毎に少しずつ異ならせておけば、このような磁気光学素子１が２次元的に配設された磁気光学デバイス構成によるディスプレイとした場合の視野角を広げることができ、見やすくなる。これは、例えばグレーティング構造３を形成する微細加工時に、直径１００μｍとする場合であれば、１０μｍ毎に方位を変化させることにより実現できる。
【００２４】
なお、グレーティング構造３に関しては、その溝部分とグレーティング材料（基板材料）との屈折率が異なることが回折を生じさせるために原理上必要であり、図２に示す例では屈折率が約１．４６の石英基板に対して溝部分を空気（屈折率１）なる空間１２としている。もっとも、基板材料と屈折率が異なる材料を用いるのであれば、溝部分を充填させてもよい。
【００２５】
ところで、磁気光学デバイスを構成する上では、磁気光学デバイス１１のような透過型に限らず、例えば、図５に例示するように反射型の磁気光学デバイス１３として構成してもよい。即ち、偏光子は入射側だけの１枚の偏光子９のみとし、他面には反射膜１４を備えた構造である。１５は基板である。この際、磁気光学素子１のグレーティング構造３、透明磁性膜４側は何れ側に配設させてよいが、図示例の如く、反射膜１４側となるように配設したほうが回折光の散乱が生じにくい点で好ましい。このような反射型構造によれば、前述したように光路が往復することで磁気光学効果が２倍となるので、例えば１２０°回転させることができ、十分なるクロスニコルの直交配置の条件が得られる。
【００２６】
続いて、基板材料等について説明する。まず、透明な基板２としては、例えば、以下のようなものを用い得る。即ち、ＭＭＡ樹脂、ＰＭＭＡ樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリプロピレン樹脂、アクリル系樹脂、スチレン系樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリアリレート、ポリスチレン、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、エポキシ樹脂、ポリ‐４‐メチルベンテン‐１、フッ素化ポリイミド樹脂、フッ素樹脂、フエノキシ樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ジエチレングリコールビスアリルカーボネート、ナイロン樹脂、フルオレン系ポリマー等の透明プラスチックに代表される有機物や、ガラス、石英、アルミナ等の無機透明材料を用い得る。ちなみに、反射型の磁気光学デバイス１３の場合における基板１５は透明である必要はなく、一般的なセラミックス、無機材料、フィルム材料等を用い得る。
【００２７】
透明磁性膜４に関しても、用いる波長に対する磁気光学特性が重要となってくるが、例えば、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ或はこれらの合金の微粒子（１０００Å以下）を用いた透明磁性膜４とすれば、透明性が４０％程度と高い上に、長短波長での自身の磁気光学効果が大きい点でも好ましい。即ち、これらの材料によれば、最も大きなファラデー回転角を有し、かつ、金属であるため、良好なる導電体であるので、そのまま直接透明磁性膜４として用いるのが望ましい。また、これらの材料に関して１０００Å以下に微粒子化させたものを用いれば、透明磁性膜４の膜面内に磁気異方性を持たせて保磁力を高めることもできる。このことは、これらの材料の粒径をコントロールすることによって保磁力を任意に変化させ得ることを意味する。これらの材料を用いて透明磁性膜４を作製するには、希ガス中蒸着の際に、僅かに（数１００mＴorr）空気を導入することが望ましい。もっとも、透明磁性膜４は一般的な磁性材料を用いて形成してもよい。例えば、γ‐Ｆｅ2Ｏ3，Ｆｅ3Ｏ4，ＦｅＮx ，Ｂａフェライト、Ｃｏフェライト等のフェライト、希土類鉄ガーネット、ＰｔＣｏ，ＦｅＴｂ，ＧｄＣｏ，ＧｄＦｅ，ＭｎＢｉ，ＭｎＣｕＢｉ等の比較的透明な強磁性体を用い得る。
【００２８】
偏光子９，１０としては、自然光の入射に対して直線偏光を出射し得る機能を有すればよく、市販されている一般のフィルム偏光子（２色性素子として、ヨウ素或は染料を吸着させ、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）フィルムを１軸延伸した偏光子の両側に保護層で支持されている）や、偏光プリズム、偏光ビームスプリッタ、ワイヤグリッドポラライザ等を適宜用い得る。
【００２９】
ところで、特に図示しないが、前述したような磁気光学素子１ないしは磁気光学デバイス１１又は１３と同等の機能を持たせる上では、透明基板上に膜面に垂直な磁気異方性を有する単なる透明磁性膜を形成し、この透明磁性膜の外周に位置させて同一の透明基板上にコイル５と同様にこの透明磁性膜に磁界を印加する空芯構造のコイルを形成した磁気光学素子としてもよい。透明磁性膜が膜面に垂直な磁気異方性を持つことにより、入射光がこの透明磁性膜の電子スピンと平行なときに最大の磁気光学効果を示すことになり、このような透明磁性膜に対してコイルによる印加磁界が効率よく印加されるため、コントラストの高いディスプレイとして応用し得る。
【００３０】
【実施例】
以下、上述した基本的構成例に基づく具体的な構成例を実施例１〜７として、比較例１とともに説明する。
【００３１】
＜実施例１＞
本実施例では、まず、１ｍｍ厚の石英基板（基板２）の片面に、Ｃｒ2Ｏ3，Ｃｒなる２層を合計膜厚が１２０ｎｍとなるように形成し、さらにその表面にポジ型レジスト膜を形成した。このレジスト膜上にフォトマスクを配置し、紫外線を用いて、グレーティング構造３が図６に示すピッチＬ＝１．０μｍとなるように露光し、ウェットエッチング法を用いてレジスト膜をエッチングし、さらに、フッ素系ガスを用いて石英基板表面をエッチングすることにより溝深さＨ＝０．６μｍとなるように加工することでグレーティング構造３を形成した。次に、レジスト膜を剥離した。このような石英基板の加工表面（グレーティング構造３表面）に、ガス中蒸着法を用いて、基板加熱なしで、鉄微粒子膜（透明磁性膜４）を蒸着した。使用したＡｒガスは５０CCM の流量で流し、全圧力で１．０Ｐａとした。平均膜厚は９０ｎｍであった。透過型電子顕微鏡で測定したこの鉄微粒子膜の平均粒子径は６ｎｍであった。膜の組成は、６６％が鉄で、残りが酸素、炭素及び窒素であった。平坦部で測定した鉄微粒子膜の保磁力は３５０Ｏｅ、面内方向の角型比は０．８２で、面内磁気異方性を有する膜であった。
【００３２】
このようにして形成された磁気光学素子１に関して、日本分光株式会社製磁気光学効果測定装置Ｋ２５０型で、波長依存性（縦軸は回転角ｄｅｇ）を測定する（入射光の偏光面とグレーティング溝方向とは直角に配置）と、波長６７０ｎｍにピークが現れたものである。波長を６７０ｎｍ、最大印加磁界１５ｋガウスとして、ヒステリシスを測定したところ、印加磁界を１５ｋガウス、０ガウスとした場合の偏光面回転角は各々２１°，１９°であった。ちなみに、上述したガス中蒸着法で同時に、石英基板平坦部に単に成膜された９０ｎｍ厚の鉄微粒子膜を、同様に、波長６７０ｎｍの光で測定すると、０ガウスにした場合の偏光面回転角は０．１°であった。よって、本実施例構造の磁気光学素子１によれば、１９０倍の磁気光学効果の増大効果が得られたものである。
【００３３】
＜実施例２＞
本実施例では、実施例１と同様にして、石英基板の片面に断面形状が矩形で（図１（ａ）参照）、ピッチＬ＝１．０μｍ、溝深さＨ＝０．４μｍのグレーティング構造３を作製し、その上に、鉄微粒子膜を形成して、磁気光学素子１を作製した。このような磁気光学素子１では、波長依存性測定におけるピーク波長は５４０ｎｍであったが、偏光面回転角は２１°であり、２１０倍の増大効果が得られたものである。
【００３４】
＜実施例３＞
本実施例では、実施例１で用いたフォトマスクに関して、直径５０μｍの凸部とその凸部表面に断面形状が矩形で（図２及び図３参照）、ピッチＬ＝１．０μｍ、溝深さＨ＝０．４μｍのグレーティング構造３が複数並列して配設可能なように製作し、それ以外の点は、実施例１の場合と同様にして石英基板の片面を加工した。このような石英基板の加工面表面に、インジウム‐錫酸化物（ＩＴＯ）膜（透明導電膜６）をスパッタ法を用いて基板表面より高くなるように厚く成膜した（図２参照）。次に、フォトリソグラフィ法を用いて、凸部の回りに１０ターン分のコイル５をパターン形成した。コイル５間には絶縁性透明樹脂（透明絶縁膜７）を充填した後、実施例１のようにして表面に鉄微粒子膜を形成し、絶縁性透明樹脂表面を研磨して平坦化した。このような磁気光学素子１両面に対して市販の２色性物質にヨウ素を用いたフィルム偏光子（偏光子９，１０）を配設してサンドイッチ構造として、表示素子なる磁気光学デバイス１１を作製した。このような表示素子は高い透明性を有していた。そこで、コイル５に２５０ｍＡの直流電流を瞬間的に流し、続いて、電極を切換えて逆方向の電流を流した。このような電流方向の切換えにより、グレーティング構造３部位は明と暗（点滅）を繰り返すことが確認された。即ち、電流方向の切換えだけで鉄微粒子膜に対する記録・消去を行える。このようにコイル５なる磁気ヘッド部分を素子ないしはデバイス中に同一平面的に一体的に含めることで、素子外部より磁気ヘッドや磁石により磁界を印加する方法に比して、素子全体の厚みを薄く、かつ、軽くすることができる。
【００３５】
＜実施例４＞
本実施例では、実施例３において、１つの凸部のグレーティング構造３に関する溝深さＨを０．６μｍと０．４μｍとの２種類として半分ずつ加工してグレーティング構造３を形成した。後は、実施例３の場合と全く同様にして、表示素子なる磁気光学デバイス１１を作製した。このようなデバイスにおいて、グレーティング構造３中で溝深さＨが０．６μｍの部位では実施例３の場合と同様に波長６７０ｎｍにピークが現れたが、溝深さＨが０．４μｍの部位では波長５５０ｎｍにピークが現れたものである。このため、大きな磁気光学効果を示す波長範囲が広くなり、実施例３の場合よりもコントラストが明瞭になったものである。また、同様の構成で、グレーティング構造３に関するピッチＬを０．６〜１．６μｍの範囲で連続的に変化させた場合には、さらにコントラストが明瞭になったものである。
【００３６】
＜実施例５＞
本実施例では、表面と裏面との平行度を１°以内として２０×２０×１ｍｍのサイズの石英基板を用意した。そして、実施例３で作製した石英基板の凸部表面が基板裏面に対して３〜１０°傾くように、凸部をマスクしながら、エッチング及びグレーティング構造の加工を行った。後は、実施例３の場合と全く同様にして、表示素子なる磁気光学デバイス１１を作製した。このようなデバイスによれば、実施例３のデバイスでは基板裏面方向に直角な方位でしか確認できなかったコントラストを、傾斜した方位からでも確認できたものである。
【００３７】
＜実施例６＞
本実施例では、図２に示すような構成の磁気光学デバイス１１に関して、偏光子９に代えてアルミニウムによる反射膜を設けた構成として実施例３の如く反射型の磁気光学素子を構成したところ、光は反射して２度透明磁性膜４を通過するため、コントラストは２倍となったものである。
【００３８】
＜実施例７＞
本実施例では、実施例３で作製した直径５０μｍの凸部は、実施例３の場合よりも半分に低くし、表面にはグレーティング構造３を加工しなかった。そして、直径５０μｍの凸部にはスパッタリング法を用いてＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜（透明磁性膜）を膜厚９００ｎｍで成膜した。ターゲット組成は、Ｂｉ2Ｇｄ1Ｆｅ3.8Ａｌ1.2Ｏ12であった。基板温度を４００℃として作製した後、６８０℃で３時間空気中加熱した。単なる平坦部に同時に作製した膜の保磁力は４００Ｏｅで、ヒステリシスからは強い垂直磁気異方性を有していることが判った。実施例１と同様にして、磁気光学効果を測定すると、波長５２０ｎｍ付近に回転のピークを有しており、波長５２０ｎｍで測定したヒステリシスでは角型比は１であった。また、回転角は６°／μｍであった。次に、実施例３の場合と同様にしてＩＴＯ膜によるコイル５を作製した。２枚の偏光子で挾んだ構造として実施例３の場合と同様にコイル５に電流を流すと、電流方向の異なる素子群の間には、明確なコントラストが確認できたものである。
【００３９】
＜比較例１＞
ターゲット組成をＢｉ2Ｙ1Ｆｅ3.8Ａｌ1.2Ｏ12とした他は、実施例７の場合と全く同様にして磁気光学素子を作製した。膜の保磁力は２００Ｏｅで、ヒステリスから角型比は０．４７であり、垂直磁気異方性が低いことが判った。次に、実施例３の場合と同様にして、ＩＴＯ膜によるコイルを作製し、さらに、表裏両面を２枚の偏光子で挾んだサンドイッチ構造として、実施例３の場合と同様に電流を流したところ、電流方向の異なる素子群間のコントラストは確認できなかったものである。
【００４０】
請求項１記載の発明の磁気光学素子によれば、光を回折させる基板の表面を凹凸形状とした直線状のグレーティング構造と、このグレーティング構造上に形成された透明磁性膜とを備え、前記透明磁性膜は、平均粒子径が２００Å以下のＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ又はこれらの合金の微粒子を含み、前記グレーティング構造は、そのピッチ及び溝深さの異なる複数種類を有し、可視光の複数の波長に対して回折によってそれぞれ偏光面回転の増大を生じさせて大きな磁気光学効果を得るので、光を入射させた場合に回折によって偏光面回転の増大が生じさせて、極めて大きな磁気光学効果を得ることができ、元々磁気光学効果の大きい材料を微粒子にして用いるので、透明磁性膜を薄くすることができ、光透過率が向上してコントラストの増大に寄与し得る上に、磁気光学効果の増大にも寄与し、ディスプレイ等への適用により適するものとなり、また、磁気光学効果を増大させ得る適用波長域が広がることになり、多色表示のディスプレイ等への適用に適したものとなる。
【００４３】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の磁気光学素子が、さらに透明磁性膜の外周に配設されてこの透明磁性膜に磁界を印加する空芯構造のコイルを備えるので、透明磁性膜に効率よく磁界を印加し得る上に、コイルが同一平面上に配設されているので、磁界印加手段を含めて素子の薄型化を図ることができ、この場合、空芯構造であり、磁芯を作製する必要がないので、作製が容易な上に、透明磁性膜に対する記録と消去とをコイルに流す電流の向きを変えるだけで簡単に行える。
【００４４】
請求項３記載の発明の磁気光学素子によれば、膜面に垂直な方向に磁気異方性を示す透明磁性膜と、透明磁性膜の外周に配設されてこの透明磁性膜に磁界を印加する空芯構造のコイルを備え、膜面に垂直な方向に磁気異方性を示す透明磁性膜に対してその周囲に配設された空芯構造のコイルにより磁界を印加するようにしたので、光を入射させた場合に透明磁性膜の電子スピンと光とが平行のときに最大の磁気光学効果を得ることができ、コントラストが高く薄型のディスプレイ等に応用することができる。
【００４５】
請求項４記載の発明によれば、請求項３記載の磁気光学素子のコイルが、透明導電膜と透明絶縁膜との積層構造よりなるので、コイル部分を含めて素子全体の光透過率が高くなり、ディスプレイ等へ適用するに当り、一層の高コントラスト化を図ることができる。
【００４６】
請求項５記載の発明の磁気光学デバイスによれば、請求項１，２，３又は４記載の磁気光学素子と、この磁気光学素子の両面を挾む一対の偏光子とを備えるので、コントラストの高い透過型の磁気光学デバイスとなり、透過型のディスプレイ、光シャッタ等に応用することができる。
【００４７】
請求項６記載の発明の磁気光学テバイスによれば、請求項１，２，３又は４記載の磁気光学素子と、この磁気光学素子の一面側に配設される偏光子と、前記磁気光学素子の他面側に配設される反射膜とを備えるので、コントラストの高い反射型の磁気光学デバイスとなり、反射型のディスプレイ等に応用することができ、特に、反射膜により光路が往復されることで磁気光学素子における磁気光学効果が倍増されることで、極めてコントラストの高いデバイスとすることができる。
【００４８】
請求項７記載の発明によれば、請求項５又は６記載の磁気光学デバイスの磁気光学素子が、同一の透明基板上に複数個が配設されているので、磁気光学デバイスにおいて個々の磁気光学素子を個別に点滅させることでデジタル表示のディスプレイ等に応用することができる。
【００４９】
請求項８記載の発明によれば、請求項７記載の磁気光学デバイスにおけるグレーティング構造を有する複数個の磁気光学素子が、その０次回折光の透過軸方向が磁気光学素子毎に少しずつ異なるので、グレーティング構造によっては入射角依存性を有し、ディスプレイ等に応用した場合、視野角が特定の方位に制約されるものの、透過軸方向が磁気光学素子毎に少しずつ異なっているので、視野角を広くすることができ、見やすいディスプレイ等に応用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の磁気光学素子の構成例を示す模式的断面図である。
【図２】磁気光学デバイスの構成例を示す模式的断面図である。
【図３】その磁気光学素子の平面構造を示す模式的平面図である。
【図４】方位を異ならせた様子を示す模式的断面図である。
【図５】反射型の磁気光学デバイスの構成例を示す模式的断面図である。
【図６】グレーティング構造の寸法例を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 磁気光学素子
２ 基板
３ グレーティング構造
４ 透明磁性膜
５ コイル
６ 透明導電膜
７ 透明絶縁膜
９，１０ 偏光子
１１，１３ 磁気光学デバイス
１４ 反射膜
【発明の属する技術分野】
本発明は、大きな磁気光学効果を生じさせることができ、各種分野に有用に応用し得る磁気光学素子及び磁気光学デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁性体を磁化し、磁化方向に平行に直線偏光を入射させると、その直線偏光は磁性体を通過することにより光の偏光面が回転されることはファラデー効果として知られている。このようなファラデー効果を有する材料を用いて磁気記録媒体（磁気光学素子）などが作られている。
【０００３】
例えば、特開昭５６−１５１２５号公報によればイットリウム及び希土類鉄ガーネットとその誘電体を用いた磁気記録媒体、特開昭６１−８９６０５号公報によれば六方晶フェライトを用いた磁気記録媒体、特開昭６２−１１９７５８号公報によればイットリウム鉄ガーネット粒子を用いた塗布型磁気記録媒体、特開平４−１３２０２９号公報によれば希土類鉄ガーネット微粒子を用いた塗布型磁気記録媒体等が開示されている。これらの磁気記録媒体は、磁性体或は磁性体微粒子を基体上に薄膜状に記録層として形成した構造を有している。このような磁気記録媒体によれば、記録・消去・読出しを良好に行うことができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、これらの公報類に開示された従来の磁気記録媒体による場合、記録・消去・読出しなるメモリ的な使用に限られてしまい、ディスプレイ等の他の用途への応用・転用には不向きなものである。また、メモリ的な使用に関しても、必ずしも十分大きな磁気光学効果が得られるわけではなく、読出し等のＳ／Ｎがよいとは限らない。
【０００５】
そこで、本発明は、極めて大きな磁気光学効果を得ることができ、各種分野への応用に有用な磁気光学素子を提供することを目的とする。また、本発明は、透過型・反射型を問わずディスプレイ等に応用し得る他、位相板、ビームスプリッタ、光シャッタ等に応用し得る磁気光学素子及び磁気光学デバイスを提供することを目的とする。また、本発明は、コントラストの向上や多色表示でき、薄型化を図れるディスプレイ化が可能な磁気光学素子及び磁気光学デバイスを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明の磁気光学素子は、光を回折させる基板の表面を凹凸形状とした直線状のグレーティング構造と、このグレーティング構造上に形成された透明磁性膜とを備え、前記透明磁性膜は、平均粒子径が２００Å以下のＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ又はこれらの合金の微粒子を含み、前記グレーティング構造は、そのピッチ及び溝深さの異なる複数種類を有し、可視光の複数の波長に対して回折によってそれぞれ偏光面回転の増大を生じさせて大きな磁気光学効果を得る。従って、グレーティング構造上に透明磁性膜を設けることにより、光を入射させた場合に回折によって偏光面回転の増大が生ずることで、極めて大きな磁気光学効果が得られ、元々磁気光学効果の大きい材料を微粒子にして用いるので、透明磁性膜を薄くすることができ、光透過率が向上してコントラストの増大に寄与し得る上に、磁気光学効果の増大にも寄与し、ディスプレイ等への適用により適するものとなり、また、磁気光学効果を増大させ得る適用波長域が広がることになり、多色表示のディスプレイ等への適用に適したものとなる。
【０００９】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の磁気光学素子が、さらに透明磁性膜の外周に配設されてこの透明磁性膜に磁界を印加する空芯構造のコイルを備える。従って、透明磁性膜に効率よく磁界を印加し得る上に、コイルが同一平面上に配設されているので、磁界印加手段を含めて素子の薄型化を図ることができる。この場合、空芯構造であり、磁芯を作製する必要がないので、作製が容易な上に、透明磁性膜に対する記録と消去とをコイルに流す電流の向きを変えるだけで簡単に行える。
【００１０】
請求項３記載の発明の磁気光学素子は、膜面に垂直な方向に磁気異方性を示す透明磁性膜と、透明磁性膜の外周に配設されてこの透明磁性膜に磁界を印加する空芯構造のコイルを備える。従って、膜面に垂直な方向に磁気異方性を示す透明磁性膜に対してその周囲に配設された空芯構造のコイルにより磁界を印加するようにしたので、光を入射させた場合に透明磁性膜の電子スピンと光とが平行のときに最大の磁気光学効果を得ることができ、コントラストが高く薄型のディスプレイ等に応用し得る。
【００１１】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の磁気光学素子のコイルが、透明導電膜と透明絶縁膜との積層構造よりなる。従って、コイル部分を含めて素子全体の光透過率が高くなり、ディスプレイ等へ適用するに当り、一層の高コントラスト化を図れる。
【００１２】
請求項５記載の発明の磁気光学デバイスは、請求項１，２，３又は４記載の磁気光学素子と、この磁気光学素子の両面を挾む一対の偏光子とを備える。従って、コントラストの高い透過型の磁気光学デバイスとなり、透過型のディスプレイ、光シャッタ等に応用し得る。
【００１３】
請求項６記載の発明の磁気光学テバイスは、請求項１，２，３又は４記載の磁気光学素子と、この磁気光学素子の一面側に配設される偏光子と、前記磁気光学素子の他面側に配設される反射膜とを備える。従って、コントラストの高い反射型の磁気光学デバイスとなり、反射型のディスプレイ等に応用し得る。特に、反射膜により光路が往復されることで磁気光学素子における磁気光学効果が倍増され、極めてコントラストの高いデバイスとなる。
【００１４】
請求項７記載の発明は、請求項５又は６記載の磁気光学デバイスの磁気光学素子が、同一の透明基板上に複数個が配設されている。従って、磁気光学デバイスにおいて個々の磁気光学素子を個別に点滅させることでデジタル表示のディスプレイ等に応用し得る。
【００１５】
請求項８記載の発明は、請求項７記載の磁気光学デバイスにおけるグレーティング構造を有する複数個の磁気光学素子が、その０次回折光の透過軸方向が磁気光学素子毎に少しずつ異なる。従って、グレーティング構造によっては入射角依存性を有し、ディスプレイ等に応用した場合、視野角が特定の方位に制約されるが、透過軸方向が磁気光学素子毎に少しずつ異なっているので、視野角が広くなる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図１ないし図５に基づいて説明する。
図１は、本実施の形態の磁気光学素子１の基本的構成例を模式的に示すもので、透明な基板２の表面を凹凸形状とした直線状のグレーティング構造３と、このグレーティング構造３の表面上に薄膜形成された透明磁性膜４とを備えた構成とされている。グレーティング構造３は例えば図１（ａ）に示すように矩形状凹凸の繰返し構造であってもよいが、このような構造に限らず、適宜形状のもの、例えば、図１（ｂ）に示すような山形状凹凸の繰返し構造であってもよい。この他、三角波形状、正弦波形状等であってもよい。
【００１７】
本実施の形態では、このようなグレーティング構造３上に透明磁性膜４を設けることで、透過光に対して極めて大きな磁気光学効果を発揮させることを基本的な特長とする。本発明者によれば、例えば、膜厚１０００Åの単なる透明磁性膜の磁気光学効果（直線偏光を通過させたとき、偏光面の回転が生ずる効果）は０．１°程度で極めて小さいが、本実施の形態の如く、膜厚１０００Åの透明磁性膜４をグレーティング構造３上に設けると磁気光学効果が３０°程度回転することになり、約３００倍も増大することが見い出されたものである。この場合、透明磁性膜４に＋の磁界を印加して０に戻したとき、＋３０°回転すると、−の磁界を印加して０に戻した場合には−３０°回転することになり、その差は６０°となる。このような磁気光学素子１だけであっても例えば２枚の偏光子でサンドイッチ構造にすれば、十分なコントラストが得られるが、さらに、磁気光学素子１に対して反射膜を組合せれば、光路が往復することで２倍となるので、上記の条件例で１２０°回転することとなり、十分なるクロスニコルの直交配置の条件が得られる。即ち、＋磁化部と−磁化部とで大きなコントラストが得られる。これが、本実施の形態における基本的な画像発現原理である。本実施の形態のような磁気光学素子１の構造により、何故、偏光面回転角が増大するかは明らかではないが、グレーティング構造３により回折が生じることが必須条件である。また、極めて大きな磁気光学効果は回折を生ずる波長の光で得られる（つまり、波長依存性を有する）。
【００１８】
従って、本実施の形態の磁気光学素子１は、ディスプレイへの応用を考慮した場合、主に可視光が適用対象の光となるが、レーザ光のような単色光を用いるものとすれば、戻り光をなくすアイソレータ等への適用も可能となる。もっとも、本実施の形態の磁気光学素子１は、原理的には、波長の長短は無関係な現象であり、グレーティング構造３が回折を生ずるように波長と同等又はそれ以下に微細であればよく、グレーティング構造３を形成するための微細加工技術が進めば可視光以外の短波長であっても適用可能といえる。また、後述するような偏光子との組合せは、ディスプレイへの適用に際しては必要といえるが、磁気光学素子１単独で単色光を用いる場合であれば位相板やビームスプリッタ等への適用も可能といえる。
【００１９】
ここで、磁気光学素子１を構成する上で、グレーティング構造３は必ずしも目的とする素子の全面に渡って形成する必要はなく、例えば、図２に示すように、その一部にだけ形成するようにしてもよい。ディスプレイに応用する場合であっても、素子全面ではなく、ドットにコントラストがあれば十分である。グレーティング構造３を部分的に形成する場合のサイズとしては特に制約はないが、直径６〜６００μｍ程度が好ましく、本実施の形態では、例えば直径１００μｍ程度のサイズに分割されている。形状的にも任意であり、円形状、四角形状等であってよく、特に、後述するように磁気ヘッドとして渦巻状のコイルを周囲に配設する上では図３に示すように円形状が好ましい。図２及び図３に示す例では、直径１００μｍ位の円形状部分にピッチ２μｍ位、溝深さ０．４μｍ位のグレーティング構造３が形成され、このグレーティング構造３上に膜厚１０００Å程度に透明磁性膜４が形成されている。
【００２０】
また、本実施の形態の磁気光学素子１では、図２及び図３に示すように、グレーティング構造３及び透明磁性膜４の外周に位置させて基板２上に磁気ヘッドとして機能するコイル５が形成されている。このコイル５はグレーティング構造３部分を磁芯とする如く渦巻状にパターン形成された空芯構造のものである。具体的には、透明性の高いＩＴＯ膜等の透明導電膜６と絶縁性プラスチックのような透明絶縁膜７との積層構造として形成されている。コイル５の巻数は、透明磁性膜４の磁気特性や、グレーティング構造３部分の面積（コイル径）等にもよるが、５〜１０ターン程度が好ましい。即ち、一般にこの種の磁気光学素子では磁性膜に磁気的な記録・消去を行うための磁気ヘッドを、磁気光学素子に対して、別途切離し自在に設けている。これは、画像を記録した後は磁気ヘッドを切離すことで磁気光学素子の携帯性を向上させたり、磁気光学素子自体の作製を容易にするためであるが、反面、切離し自在な磁気ヘッドによると位置合わせが難しく磁気光学素子の同じ箇所に再記録したり前の画像を消去することが困難であり、素子自体も磁気ヘッドの厚み分を加えた厚みとなるため、厚めになりやすい欠点がある。さらには、大きな磁束密度を外部に取り出すため、パーマロイ等の高透磁率材料を磁芯としＡｕコイルを巻回してなる構造の磁気ヘッドを用いる場合が多い。この点、本実施の形態では、空芯構造のコイル５を用いて磁界を発生させているが、コイル５の中心に対象となる透明磁性膜４を位置させているので磁束を有効に利用できる。よって、磁芯を作製しない分、コイル５の作製が容易な上に、グレーティング構造３の周囲にコイル５も一体化させているので、磁気光学素子１として薄型化構造を容易に実現できる。加えて、コイル５に流す電流の方向を変えるだけで、記録と消去とを切換えることができる。よって、空間変調素子として応用することも可能となる。
【００２１】
ここで、図２に示す例では、上記のようなコイル５を備えた磁気光学素子１の表裏両面に一対の偏光子９，１０を配設することにより透過型の磁気光学デバイス１１として構成されている。これにより、透過型のディスプレイや光シャッタへの適用が可能とされている。
【００２２】
この際、特に図示しないが、磁気光学素子１を複数個とし、これらの磁気光学素子１を、同一の透明基板上に２次元的に配設させた磁気光学デバイス構成とすれば、個々の磁気光学素子１を点滅（磁化の有無を切換える）させれば、デジタル表示可能なディスプレイとして利用できる。また、０次光の回折効率や回折減衰などはグレーティング構造３のピッチ、溝深さ等により変更し得ることは知られているので、グレーティング構造３に関して、そのピッチ及び溝深さを異ならせた複数種類のグレーティング構造を形成しておけば、磁気光学効果を増大させ得る波長域を広げることができる。例えば、５００ｎｍの波長光と６００ｎｍの波長光とで回折するように２種類のグレーティング構造を作り込んでおけば、２色の光に対してスイッチングすることができる。さらに、Ｒ，Ｇ，Ｂの３色の光の波長に対応させて３種類のグレーティング構造を作り込んでおけば、カラーフィルタ不要の明るいカラーディスプレイ化を図れる。
【００２３】
さらに、グレーティング構造３に関しては、前述したようにその凹凸形状を問わないが、例えば、正弦波形状に形成した場合、光の入射角によって磁気光学効果の増大率が異なるという入射角依存性を有する。この点を考慮した場合には、例えば、図４に示すように、グレーティング構造３を有する複数個の磁気光学素子１に関して、その０次回折光の透過軸方向を磁気光学素子１毎に少しずつ異ならせておけば、このような磁気光学素子１が２次元的に配設された磁気光学デバイス構成によるディスプレイとした場合の視野角を広げることができ、見やすくなる。これは、例えばグレーティング構造３を形成する微細加工時に、直径１００μｍとする場合であれば、１０μｍ毎に方位を変化させることにより実現できる。
【００２４】
なお、グレーティング構造３に関しては、その溝部分とグレーティング材料（基板材料）との屈折率が異なることが回折を生じさせるために原理上必要であり、図２に示す例では屈折率が約１．４６の石英基板に対して溝部分を空気（屈折率１）なる空間１２としている。もっとも、基板材料と屈折率が異なる材料を用いるのであれば、溝部分を充填させてもよい。
【００２５】
ところで、磁気光学デバイスを構成する上では、磁気光学デバイス１１のような透過型に限らず、例えば、図５に例示するように反射型の磁気光学デバイス１３として構成してもよい。即ち、偏光子は入射側だけの１枚の偏光子９のみとし、他面には反射膜１４を備えた構造である。１５は基板である。この際、磁気光学素子１のグレーティング構造３、透明磁性膜４側は何れ側に配設させてよいが、図示例の如く、反射膜１４側となるように配設したほうが回折光の散乱が生じにくい点で好ましい。このような反射型構造によれば、前述したように光路が往復することで磁気光学効果が２倍となるので、例えば１２０°回転させることができ、十分なるクロスニコルの直交配置の条件が得られる。
【００２６】
続いて、基板材料等について説明する。まず、透明な基板２としては、例えば、以下のようなものを用い得る。即ち、ＭＭＡ樹脂、ＰＭＭＡ樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリプロピレン樹脂、アクリル系樹脂、スチレン系樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリアリレート、ポリスチレン、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、エポキシ樹脂、ポリ‐４‐メチルベンテン‐１、フッ素化ポリイミド樹脂、フッ素樹脂、フエノキシ樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ジエチレングリコールビスアリルカーボネート、ナイロン樹脂、フルオレン系ポリマー等の透明プラスチックに代表される有機物や、ガラス、石英、アルミナ等の無機透明材料を用い得る。ちなみに、反射型の磁気光学デバイス１３の場合における基板１５は透明である必要はなく、一般的なセラミックス、無機材料、フィルム材料等を用い得る。
【００２７】
透明磁性膜４に関しても、用いる波長に対する磁気光学特性が重要となってくるが、例えば、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ或はこれらの合金の微粒子（１０００Å以下）を用いた透明磁性膜４とすれば、透明性が４０％程度と高い上に、長短波長での自身の磁気光学効果が大きい点でも好ましい。即ち、これらの材料によれば、最も大きなファラデー回転角を有し、かつ、金属であるため、良好なる導電体であるので、そのまま直接透明磁性膜４として用いるのが望ましい。また、これらの材料に関して１０００Å以下に微粒子化させたものを用いれば、透明磁性膜４の膜面内に磁気異方性を持たせて保磁力を高めることもできる。このことは、これらの材料の粒径をコントロールすることによって保磁力を任意に変化させ得ることを意味する。これらの材料を用いて透明磁性膜４を作製するには、希ガス中蒸着の際に、僅かに（数１００mＴorr）空気を導入することが望ましい。もっとも、透明磁性膜４は一般的な磁性材料を用いて形成してもよい。例えば、γ‐Ｆｅ2Ｏ3，Ｆｅ3Ｏ4，ＦｅＮx ，Ｂａフェライト、Ｃｏフェライト等のフェライト、希土類鉄ガーネット、ＰｔＣｏ，ＦｅＴｂ，ＧｄＣｏ，ＧｄＦｅ，ＭｎＢｉ，ＭｎＣｕＢｉ等の比較的透明な強磁性体を用い得る。
【００２８】
偏光子９，１０としては、自然光の入射に対して直線偏光を出射し得る機能を有すればよく、市販されている一般のフィルム偏光子（２色性素子として、ヨウ素或は染料を吸着させ、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）フィルムを１軸延伸した偏光子の両側に保護層で支持されている）や、偏光プリズム、偏光ビームスプリッタ、ワイヤグリッドポラライザ等を適宜用い得る。
【００２９】
ところで、特に図示しないが、前述したような磁気光学素子１ないしは磁気光学デバイス１１又は１３と同等の機能を持たせる上では、透明基板上に膜面に垂直な磁気異方性を有する単なる透明磁性膜を形成し、この透明磁性膜の外周に位置させて同一の透明基板上にコイル５と同様にこの透明磁性膜に磁界を印加する空芯構造のコイルを形成した磁気光学素子としてもよい。透明磁性膜が膜面に垂直な磁気異方性を持つことにより、入射光がこの透明磁性膜の電子スピンと平行なときに最大の磁気光学効果を示すことになり、このような透明磁性膜に対してコイルによる印加磁界が効率よく印加されるため、コントラストの高いディスプレイとして応用し得る。
【００３０】
【実施例】
以下、上述した基本的構成例に基づく具体的な構成例を実施例１〜７として、比較例１とともに説明する。
【００３１】
＜実施例１＞
本実施例では、まず、１ｍｍ厚の石英基板（基板２）の片面に、Ｃｒ2Ｏ3，Ｃｒなる２層を合計膜厚が１２０ｎｍとなるように形成し、さらにその表面にポジ型レジスト膜を形成した。このレジスト膜上にフォトマスクを配置し、紫外線を用いて、グレーティング構造３が図６に示すピッチＬ＝１．０μｍとなるように露光し、ウェットエッチング法を用いてレジスト膜をエッチングし、さらに、フッ素系ガスを用いて石英基板表面をエッチングすることにより溝深さＨ＝０．６μｍとなるように加工することでグレーティング構造３を形成した。次に、レジスト膜を剥離した。このような石英基板の加工表面（グレーティング構造３表面）に、ガス中蒸着法を用いて、基板加熱なしで、鉄微粒子膜（透明磁性膜４）を蒸着した。使用したＡｒガスは５０CCM の流量で流し、全圧力で１．０Ｐａとした。平均膜厚は９０ｎｍであった。透過型電子顕微鏡で測定したこの鉄微粒子膜の平均粒子径は６ｎｍであった。膜の組成は、６６％が鉄で、残りが酸素、炭素及び窒素であった。平坦部で測定した鉄微粒子膜の保磁力は３５０Ｏｅ、面内方向の角型比は０．８２で、面内磁気異方性を有する膜であった。
【００３２】
このようにして形成された磁気光学素子１に関して、日本分光株式会社製磁気光学効果測定装置Ｋ２５０型で、波長依存性（縦軸は回転角ｄｅｇ）を測定する（入射光の偏光面とグレーティング溝方向とは直角に配置）と、波長６７０ｎｍにピークが現れたものである。波長を６７０ｎｍ、最大印加磁界１５ｋガウスとして、ヒステリシスを測定したところ、印加磁界を１５ｋガウス、０ガウスとした場合の偏光面回転角は各々２１°，１９°であった。ちなみに、上述したガス中蒸着法で同時に、石英基板平坦部に単に成膜された９０ｎｍ厚の鉄微粒子膜を、同様に、波長６７０ｎｍの光で測定すると、０ガウスにした場合の偏光面回転角は０．１°であった。よって、本実施例構造の磁気光学素子１によれば、１９０倍の磁気光学効果の増大効果が得られたものである。
【００３３】
＜実施例２＞
本実施例では、実施例１と同様にして、石英基板の片面に断面形状が矩形で（図１（ａ）参照）、ピッチＬ＝１．０μｍ、溝深さＨ＝０．４μｍのグレーティング構造３を作製し、その上に、鉄微粒子膜を形成して、磁気光学素子１を作製した。このような磁気光学素子１では、波長依存性測定におけるピーク波長は５４０ｎｍであったが、偏光面回転角は２１°であり、２１０倍の増大効果が得られたものである。
【００３４】
＜実施例３＞
本実施例では、実施例１で用いたフォトマスクに関して、直径５０μｍの凸部とその凸部表面に断面形状が矩形で（図２及び図３参照）、ピッチＬ＝１．０μｍ、溝深さＨ＝０．４μｍのグレーティング構造３が複数並列して配設可能なように製作し、それ以外の点は、実施例１の場合と同様にして石英基板の片面を加工した。このような石英基板の加工面表面に、インジウム‐錫酸化物（ＩＴＯ）膜（透明導電膜６）をスパッタ法を用いて基板表面より高くなるように厚く成膜した（図２参照）。次に、フォトリソグラフィ法を用いて、凸部の回りに１０ターン分のコイル５をパターン形成した。コイル５間には絶縁性透明樹脂（透明絶縁膜７）を充填した後、実施例１のようにして表面に鉄微粒子膜を形成し、絶縁性透明樹脂表面を研磨して平坦化した。このような磁気光学素子１両面に対して市販の２色性物質にヨウ素を用いたフィルム偏光子（偏光子９，１０）を配設してサンドイッチ構造として、表示素子なる磁気光学デバイス１１を作製した。このような表示素子は高い透明性を有していた。そこで、コイル５に２５０ｍＡの直流電流を瞬間的に流し、続いて、電極を切換えて逆方向の電流を流した。このような電流方向の切換えにより、グレーティング構造３部位は明と暗（点滅）を繰り返すことが確認された。即ち、電流方向の切換えだけで鉄微粒子膜に対する記録・消去を行える。このようにコイル５なる磁気ヘッド部分を素子ないしはデバイス中に同一平面的に一体的に含めることで、素子外部より磁気ヘッドや磁石により磁界を印加する方法に比して、素子全体の厚みを薄く、かつ、軽くすることができる。
【００３５】
＜実施例４＞
本実施例では、実施例３において、１つの凸部のグレーティング構造３に関する溝深さＨを０．６μｍと０．４μｍとの２種類として半分ずつ加工してグレーティング構造３を形成した。後は、実施例３の場合と全く同様にして、表示素子なる磁気光学デバイス１１を作製した。このようなデバイスにおいて、グレーティング構造３中で溝深さＨが０．６μｍの部位では実施例３の場合と同様に波長６７０ｎｍにピークが現れたが、溝深さＨが０．４μｍの部位では波長５５０ｎｍにピークが現れたものである。このため、大きな磁気光学効果を示す波長範囲が広くなり、実施例３の場合よりもコントラストが明瞭になったものである。また、同様の構成で、グレーティング構造３に関するピッチＬを０．６〜１．６μｍの範囲で連続的に変化させた場合には、さらにコントラストが明瞭になったものである。
【００３６】
＜実施例５＞
本実施例では、表面と裏面との平行度を１°以内として２０×２０×１ｍｍのサイズの石英基板を用意した。そして、実施例３で作製した石英基板の凸部表面が基板裏面に対して３〜１０°傾くように、凸部をマスクしながら、エッチング及びグレーティング構造の加工を行った。後は、実施例３の場合と全く同様にして、表示素子なる磁気光学デバイス１１を作製した。このようなデバイスによれば、実施例３のデバイスでは基板裏面方向に直角な方位でしか確認できなかったコントラストを、傾斜した方位からでも確認できたものである。
【００３７】
＜実施例６＞
本実施例では、図２に示すような構成の磁気光学デバイス１１に関して、偏光子９に代えてアルミニウムによる反射膜を設けた構成として実施例３の如く反射型の磁気光学素子を構成したところ、光は反射して２度透明磁性膜４を通過するため、コントラストは２倍となったものである。
【００３８】
＜実施例７＞
本実施例では、実施例３で作製した直径５０μｍの凸部は、実施例３の場合よりも半分に低くし、表面にはグレーティング構造３を加工しなかった。そして、直径５０μｍの凸部にはスパッタリング法を用いてＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜（透明磁性膜）を膜厚９００ｎｍで成膜した。ターゲット組成は、Ｂｉ2Ｇｄ1Ｆｅ3.8Ａｌ1.2Ｏ12であった。基板温度を４００℃として作製した後、６８０℃で３時間空気中加熱した。単なる平坦部に同時に作製した膜の保磁力は４００Ｏｅで、ヒステリシスからは強い垂直磁気異方性を有していることが判った。実施例１と同様にして、磁気光学効果を測定すると、波長５２０ｎｍ付近に回転のピークを有しており、波長５２０ｎｍで測定したヒステリシスでは角型比は１であった。また、回転角は６°／μｍであった。次に、実施例３の場合と同様にしてＩＴＯ膜によるコイル５を作製した。２枚の偏光子で挾んだ構造として実施例３の場合と同様にコイル５に電流を流すと、電流方向の異なる素子群の間には、明確なコントラストが確認できたものである。
【００３９】
＜比較例１＞
ターゲット組成をＢｉ2Ｙ1Ｆｅ3.8Ａｌ1.2Ｏ12とした他は、実施例７の場合と全く同様にして磁気光学素子を作製した。膜の保磁力は２００Ｏｅで、ヒステリスから角型比は０．４７であり、垂直磁気異方性が低いことが判った。次に、実施例３の場合と同様にして、ＩＴＯ膜によるコイルを作製し、さらに、表裏両面を２枚の偏光子で挾んだサンドイッチ構造として、実施例３の場合と同様に電流を流したところ、電流方向の異なる素子群間のコントラストは確認できなかったものである。
【００４０】
請求項１記載の発明の磁気光学素子によれば、光を回折させる基板の表面を凹凸形状とした直線状のグレーティング構造と、このグレーティング構造上に形成された透明磁性膜とを備え、前記透明磁性膜は、平均粒子径が２００Å以下のＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ又はこれらの合金の微粒子を含み、前記グレーティング構造は、そのピッチ及び溝深さの異なる複数種類を有し、可視光の複数の波長に対して回折によってそれぞれ偏光面回転の増大を生じさせて大きな磁気光学効果を得るので、光を入射させた場合に回折によって偏光面回転の増大が生じさせて、極めて大きな磁気光学効果を得ることができ、元々磁気光学効果の大きい材料を微粒子にして用いるので、透明磁性膜を薄くすることができ、光透過率が向上してコントラストの増大に寄与し得る上に、磁気光学効果の増大にも寄与し、ディスプレイ等への適用により適するものとなり、また、磁気光学効果を増大させ得る適用波長域が広がることになり、多色表示のディスプレイ等への適用に適したものとなる。
【００４３】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の磁気光学素子が、さらに透明磁性膜の外周に配設されてこの透明磁性膜に磁界を印加する空芯構造のコイルを備えるので、透明磁性膜に効率よく磁界を印加し得る上に、コイルが同一平面上に配設されているので、磁界印加手段を含めて素子の薄型化を図ることができ、この場合、空芯構造であり、磁芯を作製する必要がないので、作製が容易な上に、透明磁性膜に対する記録と消去とをコイルに流す電流の向きを変えるだけで簡単に行える。
【００４４】
請求項３記載の発明の磁気光学素子によれば、膜面に垂直な方向に磁気異方性を示す透明磁性膜と、透明磁性膜の外周に配設されてこの透明磁性膜に磁界を印加する空芯構造のコイルを備え、膜面に垂直な方向に磁気異方性を示す透明磁性膜に対してその周囲に配設された空芯構造のコイルにより磁界を印加するようにしたので、光を入射させた場合に透明磁性膜の電子スピンと光とが平行のときに最大の磁気光学効果を得ることができ、コントラストが高く薄型のディスプレイ等に応用することができる。
【００４５】
請求項４記載の発明によれば、請求項３記載の磁気光学素子のコイルが、透明導電膜と透明絶縁膜との積層構造よりなるので、コイル部分を含めて素子全体の光透過率が高くなり、ディスプレイ等へ適用するに当り、一層の高コントラスト化を図ることができる。
【００４６】
請求項５記載の発明の磁気光学デバイスによれば、請求項１，２，３又は４記載の磁気光学素子と、この磁気光学素子の両面を挾む一対の偏光子とを備えるので、コントラストの高い透過型の磁気光学デバイスとなり、透過型のディスプレイ、光シャッタ等に応用することができる。
【００４７】
請求項６記載の発明の磁気光学テバイスによれば、請求項１，２，３又は４記載の磁気光学素子と、この磁気光学素子の一面側に配設される偏光子と、前記磁気光学素子の他面側に配設される反射膜とを備えるので、コントラストの高い反射型の磁気光学デバイスとなり、反射型のディスプレイ等に応用することができ、特に、反射膜により光路が往復されることで磁気光学素子における磁気光学効果が倍増されることで、極めてコントラストの高いデバイスとすることができる。
【００４８】
請求項７記載の発明によれば、請求項５又は６記載の磁気光学デバイスの磁気光学素子が、同一の透明基板上に複数個が配設されているので、磁気光学デバイスにおいて個々の磁気光学素子を個別に点滅させることでデジタル表示のディスプレイ等に応用することができる。
【００４９】
請求項８記載の発明によれば、請求項７記載の磁気光学デバイスにおけるグレーティング構造を有する複数個の磁気光学素子が、その０次回折光の透過軸方向が磁気光学素子毎に少しずつ異なるので、グレーティング構造によっては入射角依存性を有し、ディスプレイ等に応用した場合、視野角が特定の方位に制約されるものの、透過軸方向が磁気光学素子毎に少しずつ異なっているので、視野角を広くすることができ、見やすいディスプレイ等に応用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の磁気光学素子の構成例を示す模式的断面図である。
【図２】磁気光学デバイスの構成例を示す模式的断面図である。
【図３】その磁気光学素子の平面構造を示す模式的平面図である。
【図４】方位を異ならせた様子を示す模式的断面図である。
【図５】反射型の磁気光学デバイスの構成例を示す模式的断面図である。
【図６】グレーティング構造の寸法例を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 磁気光学素子
２ 基板
３ グレーティング構造
４ 透明磁性膜
５ コイル
６ 透明導電膜
７ 透明絶縁膜
９，１０ 偏光子
１１，１３ 磁気光学デバイス
１４ 反射膜
Claims (8)
- 光を回折させる基板の表面を凹凸形状とした直線状のグレーティング構造と、このグレーティング構造上に形成された透明磁性膜とを備え、前記透明磁性膜は、平均粒子径が２００Å以下のＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ又はこれらの合金の微粒子を含み、前記グレーティング構造は、そのピッチ及び溝深さの異なる複数種類を有し、可視光の複数の波長に対して回折によってそれぞれ偏光面回転の増大を生じさせて大きな磁気光学効果を得ることを特徴とするディスプレイに用いる磁気光学素子。
- 透明磁性膜の外周に配設されてこの透明磁性膜に磁界を印加する空芯構造のコイルを備える請求項１記載の磁気光学素子。
- 前記透明磁性膜は膜面に垂直な方向に磁気異方性を示す透明磁性膜であり、透明磁性膜の外周に配設されてこの透明磁性膜に磁界を印加する空芯構造のコイルを備える請求項１記載の磁気光学素子。
- コイルは、透明導電膜と透明絶縁膜との積層構造よりなる請求項３記載の磁気光学素子。
- 請求項１，２，３又は４記載の磁気光学素子と、
この磁気光学素子の両面を挾む一対の偏光子と、
を備える磁気光学デバイス。 - 請求項１，２，３又は４記載の磁気光学素子と、
この磁気光学素子の一面側に配設される偏光子と、
前記磁気光学素子の他面側に配設される反射膜と、
を備える磁気光学デバイス。 - 磁気光学素子は、同一の透明基板上に複数個が配設されている請求項５又は６記載の磁気光学デバイス。
- グレーティング構造を有する複数個の磁気光学素子は、その０次回折光の透過軸方向が磁気光学素子毎に少しずつ異なる請求項７記載の磁気光学デバイス。
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