ЯЧЕИСТАЯ СТРУКТУРА Российский патент 1995 года по МПК G02F1/09 

Изобретение относится к физике, в частности к прикладной магнитооптике и промышленно применимо в устройствах для управления светом, основанных на магнитооптическом эффекте Фарадея.

Известна ячеистая структура для магнитооптического пространственного модулятора света (МО ПМС), называемая также магнитооптическим управляемым транспарантом, которая содержит нанесенный на немагнитную подложку слой магнитоосного феррит-граната с монодоменными областями, образующими ячейки и разделенными межъячеистыми промежутками из поликристалла того же состава (1). Недостатком этого технического решения является низкая надежность при переключении состояния ячеек, поскольку величина и однородность порога переключения трудно контролируемы.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является известная ячеистая структура для МО ПМС, содержащая нанесенный на немагнитную подложку слой магнитоодноосного феррит-граната с монодоменными областями, образующими ячейки и разделенными межъячеистыми промежутками из феррит-граната того же состава с повышенной намагниченностью и лабиринтной доменной структурой [2]
Недостатком прототипа является недостаточная надежность при переключении состояния ячеек из-за разброса порога переключения и различия его механизмов, зависящих от конкретного вида доменной структуры, окружающей монодоменную область, и состояния доменных стенок.

Для повышения надежности при переключении состояния ячеек, в известной ячеистой структуре для МО ПМС, содержащей нанесенный на магнитную подложку слой магнитоодноосного феррит-граната с монодоменными областями, эти области выполнены с суммарным магнитным моментом, направленным вдоль направления магнитного момента октаэдрической подрешетки граната, а межъячеистое пространство выполнено с суммарным магнитным моментом, направленным вдоль направления магнитного момента тетраэдрической подрешетки.

Для повышения быстродействия при переключении состояния ячеек, феррит-гранат содержит быстрорелаксирующие магнитные ионы, а монодоменные области выполнены с компенсацией момента импульса.

В прототипе монодоменные области окружает лабиринтная доменная структура, причем вид доменов, расположенных на границе такой области, может быть различным. Ячейку может окружать полосовой домен как одной, так и другой полярности, могут подходить к границе нескольких полосовых доменов [2] Это приводит к тому, что локальные значения действующего магнитного поля в различных ячейках в одном и том же месте, и, как следствие, порог их переключения даже при одинаковом внешнем переключающем магнитном поле изменяются от импульса к импульсам для одной и той же ячейки и от ячейки к ячейке при одном переключении. Это приводит к сбоям при работе МО ПМС.

Отличительной особенностью изобретения является то, что, если монодоменные области выполнены с суммарным магнитным моментом, направленным вдоль направления магнитного момента октаэдрической подрешетки граната, а межъячеистое пространство выполнено с суммарным магнитным моментом, направленным вдоль направления магнитного момента тетраэдрической подрешетки, то на границе монодоменной области формируется так называемая компенсационная стенка, играющая важную роль при переключении ячеек. Второй особенностью является то, что знак эффекта Фарадея в монодоменных областях и межъячеистом пространстве различен. Это приводит к тому, что ячейки и межъячеистое пространство выглядят при наблюдении в поляризационный микроскоп одинаково "светлыми" или "темными" не при совпадении направления их магнитных моментов, как в прототипе, а при их противоположном направлении.

Для данной ячеистой структуры имеется два пороговых поля: Н_комп., при котором обычная доменная стенка переходит через границу ячейки (направления суммарных магнитных моментов по обе стороны от этой стенки противоположны, а знак фарадеевского вращения одинаков), и Н_кол, при котором цилиндрический магнитный домен (ЦМД) внутри ячейки коллапсирует, причем Н_комп. > Н_кол и оба пороговых поля имеют одинаковый знак.

Частным случаем состояния монодоменных областей, суммарный магнитный момент которых направлен вдоль направления магнитного момента октаэдрической подрешетки, является состояние с компенсацией момента импульса [3] Оно достигается, если феррит-гранат содержит быстрорелаксирующие ионы (иттербия, тулия, эрбия, европия), а суммарный магнитный момент скомпенсирован. В этом случае эффективное значение гиромагнитного отношения и, как следствие, максимально достижимая скорость доменных стенок резко возрастают, что позволяет повысить быстродействие при переключении ячеек.

Изобретение поясняется чертежом, где показана немагнитная подложка 1 и слой магнитоодноосного феррит-граната 2, в котором сформированы монодоменные области 3, отделенные от межъячеистого пространства компенсационными стенками 4. Показан случай, когда в двух ячейках существуют ЦМД противоположной полярности, а межъячеистое пространство намагничено до насыщения. Заметим, что области А и С имеют один знак фарадеевского вращения, а в области В и D противоположный.

МОПМС, использующий предлагаемую ячеистую структуру, работает следующим образом.

Сначала подготавливают структуры к записи. Для этого с помощью общей для всех ячеек катушки прикладывают переменное магнитное поле с амплитудой Н_пер > Н_комп. Это, как показывает опыт, приводит к формированию замкнутых полосовых доменов вокруг всех ячеек (за пределами компенсационной стенки). После выключения переменного поля на все ячейки воздействуют постоянным магнитным полем смещения, напряженность Н_см которого находится в диапазоне Н_кол < Н_см < Н_комп. При этом доменные стенки замкнутых полосовых доменов переходят через компенсационную стенку и в ячейках формируется ЦМД. Важно, что при уменьшении Н_см доменная стенка не возвращается за пределы ячейки, а при Н_см Н_кол коллапсирует. Далее импульсами магнитного поля, направленного антипараллельно полю смещения в заданных ячейках с помощью пары пересекающихся у ячейки проводников записывают информационные "0". Для этого амплитуда импульсов поля должна быть Н_и > Н_см Н_кол, которая обеспечивает коллапс ЦМД в заданных ячейках. Наконец, для записи информационных "1" поле смещения увеличивают до уровня, превышающего Н_комп. Для стирания информации поле смещения снижают до нуля, в результате чего сохранявшиеся ЦМД коллапсируют, и вновь достигается единичное состояние ячеек во всем массиве.

Повышение надежности при переключении состояния ячеек связано с обеспечением идентичности доменной структуры в окрестности каждой ячейки и одинакового механизма переключения коллапс ЦМД. Наблюдавшаяся в эксперименте дисперсия порога переключения оказалась ниже погрешности измерений 1% в то время как в прототипе указанный разброс составлял 10-15%
Монокристаллические пленки феррит-гранатов составов (Lu, Bi)₃(Fe, Ga)₅ O₁₂ и (Tm, Bi)₃ (Fe, Ga)₅O₁₂ выращивали методом жидкофазной эпитаксии на подложках из гадолиний галлиевого граната с ориентацией (III). Монодоменные области с указанными в формуле изобретения направлениями намагниченности создавали с помощью локального диффузионного отжига в присутствии маски из восстанавливающего агента при температурах отжига 450-500^оС (5). В результате этого происходит интенсивная межподрешеточная диффузия ионов железа и галлия и суммарный момент в обработанных областях переориентируется от направления спинов в тетраэдрической подрешетке и октаэдрической. В лютэций содержащих пленках скорость доменных стенок при коллапсе ЦМД внутри ячейки не превышала 5 м/с, а в туллийсодержащих пленках в точке компенсации момента импульса при действующем магнитном поле 45 Э достигала 500 м/с.

Использование: в прикладной магнитооптике, а именно в устройствах для управления светом, основанных на магнитооптическом эффекте Фарадея. Сущность изобретения: структура содержит немагнитную подложку, на которую нанесен слой магнитоодноосного феррит-граната с монодоменными областями. Используя диффузионный отжиг в присутствии восстанавливающего агента монодоменные области выполняют с суммарным магнитным моментом, направленным вдоль направления магнитного момента октаэдрической подрешетки, а межъячеистое пространство вдоль направления магнитного момента в тетраэдрической подрешетке граната. В монодоменных областях может обеспечиваться компенсация момента импульса. Переключение ячеек осуществляется по механизму коллапса цилиндрического магнитного домена, причем магнитное состояние всех ячеек идентично. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. ЯЧЕИСТАЯ СТРУКТУРА для магнитооптического пространственного модулятора света, содержащая нанесенный на магнитную подложку слой магнитоодноосного феррит-граната с монодоменными областями, образующими ячейки и разделенными межъячеистыми промежутками, отличающаяся тем, что монодоменные области выполнены с суммарным магнитным моментом, направление которого совпадает с направлением магнитного момента октаэдрической подрешетки граната, а межъячеистые промежутки выполнены с суммарным магнитным моментом, направление которого совпадает с направлением магнитного момента тетраэдрической подрешетки граната. 2. Структура по п.1, отличающаяся тем, что феррит-гранат содержит быстрорелаксирующие магнитные редкоземельные ионы, а монодоменные области с суммарным магнитным моментом, направленным вдоль направления магнитного момента октаэдрической подрешетки граната, выполнены с компенсацией момента импульса.