МАГНИТООПТИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 1997 года по МПК G02F1/09 

Изобретение относится к прикладной магнитооптике, в частности, к устройствам на основе магнитооптического эффекта Фарадея и промышленно применимо в магнитооптических устройствах типа дефектоскопов, головок для считывания информации с магнитного носителя, пространственно-временных сменных модуляторов света, переключателей, дефлекторов и других магнитооптических устройствах, в которых используются механизмы движения намагниченности.

Известен магнитооптический элемент на основе феррит-граната состава Gd_0,2Y_2,8Fe₅O₁₂ /1/. Недостатком этого элемента является низкое быстродействие, поскольку в указанном материале не реализуются быстродействующие механизмы движения намагниченности.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является известный магнитооптических элемент, содержащий по крайней мере один слой из магнитооптического материала со структурой граната, в состав которого входит по крайней мере один быстрорелаксирующий редкоземельный элемент R и железо /2/. Недостатком прототипа, содержащего феррит-гранат состава (Tm, Bi)₃(Fe, Ga)₅O₁₂, является низкое быстродействие из-за невысокой скорости доменных стенок, составляющей 0,72 м/с.

Целью изобретения является повышение быстродействия магнитооптического элемента.

Поставленная цель достигается тем, что известный магнитооптический элемент, содержащий по крайней мере один слой из магнитооптического материала со структурой граната, в состав которого входит по крайней мере один быстрорелаксирующий редкоземельный элемент R и железо, соответствует химической формуле R_xA_yFe_uM_vO₁₂, где A по крайней мере один немагнитный и/или медленнорелаксирующий магнитный ион, M - немагнитный ион, x ≅3, y ≅ 3, u ≅5, v ≅3, причем щи температуре T, в K, удовлетворяющей условию 0 ≅T ≅T_N, где T_N температура Нееля магнитооптического материала, выполняется соотношение |M_м+ M_б|/|M_м|>>1, где M_M суммарный магнитный момент всех медленнорелаксирующих магнитных ионов, M_a суммарный магнитный момент всех быстрорелаксирующих магнитных ионов.

В частности, магнитооптический элемент может дополнительно содержать подложку, на которую нанесен слой из магнитооптического материала со структурой граната, при этом подложка может быть прозрачной и/или монокристаллической. Монокристаллическая подложка может быть выполнена со структурой граната, из фианита или сапфира. Например, подложка может быть выполнена из гадолиний-галлиевого, самарий-галлиевого, неодим-галлиевого, кальций-ниобий-галлиевого, гадолиний-кальций-магний-цирконий-галлиевого, гадолиний-скандий-галлиевого гранатов, при этом она может иметь ориентацию /111/, /110/, /210/ или /211/, а слой из магнитооптического материала может быть выполнен в виде эпитаксиальной пленки.

Подложка также может быть выполнена из стекла или полиметилметакрилата, а слой из магнитооптического материала может быть выполнен в виде поликристаллической или аморфной пленки.

В частности, слой из магнитооптического материала может быть выполнен в виде висмут-содержащего феррит-граната.

В частности, слой из магнитооптического материала может быть выполнен из феррит-граната состава R_xLn_yFe_uM_vO₁₂, где R Tm, Yb, Er, Ho, Dy, Tb, Eu, Nd и/или Pr, Ln Lu, V, La и/или Bi, M Ga, Al, Sc и/или In, при этом феррит-гранат может быть выполнен состава R_xBi_yFe_uM_vO₁₂.

В частности, слой из магнитооптического материала может быть выполнен из феррит-граната состава R_xLn_y-zCa_zFe_uM_v-zMe_zO₁₂, где R Tm, Yb Er, Ho, Dy, Tb, Eu, Nd и/или Pr, Ln Lu, Y, La и/или Bi, M Ga, Al, Sc и/или In, Me Ge и/или Si, z ≅1,5.

В частности, слой из магнитооптического материала может быть выполнен из феррит-граната состава R_xLn_y-zCa_zFe_u-zMe_zO₁₂, где R Tm, Yb, Er, Ho, Dy, Tb, Eu, Nd и/или Pr, Ln Lu, Y, Bi и/или La, Me Ge и/или Si, z ≅1,5.

В частности, слой из магнитооптического материала может быть выполнен иэ гадолиний-содержащего феррит-граната.

В частности, гадолинийсодержащий феррит-гранат может быть выполнен состава R_xLn_y-p-zGd_pCa_zFe_uM_v-z Me_zO₁₂, R_xLn_y-pGd_pFe_uM_vO₁₂ или R_xLn_y-z-pGd_pCa_zFe_u-zMe_zO₁₂, где R Tm, Yb, Er,Ho, Dy, Tb, Eu, Nd и/или Pr, Ln Lu, Y, La и/или Bi, M Ga, Al, Sc и/или In, Me Ge и/или Si, z ≅ 1,5, p ≅2,8.

В частности, слой из магнитооптического материала может быть выполнен из ванадий-содержащего феррит-граната.

В частности, ванадийсодержащий феррит-гранат может быть выполнен состава R_xLn_y-2qCa_2qFe_u-qV_qM_vO₁₂, R_xLn_y-2q-rCa_2q+rFe_u-q-rV_q Me_rO₁₂ или R_xLn_y-z-2qGd_zCa_2qFe_u-qV_q M_vO₁₂, где R Tm, Yb, Er, Ho, Dy, Tb, Eu, Nd и/или Pr, Ln Lu, Y, La и/или Bi, M Ga, Al, Sc и/или In, Me Ge и/или Si, q ≅0,7, r ≅0,7, z ≅1,5.

В частности, магнитооптический элемент может содержать, по крайней мере, два последовательно нанесенных слоя из магнитооптического материала, причем соотношение |M_м+ M_б|/|M_м|>>1 выполняется в соседних слоях при разных температурах, различающихся на величину ΔT, при этом величина ΔT может удовлетворять соотношению |ΔT| /T_N<1.

Суть изобретения состоит в следующем. В феррит-гранате, соответствующем химической формуле R_xA_yFe_uM_vO₁₂ и содержащем, по крайней мере, один быстрорелаксирующий редкоземельный элемент R, при температуре T, при которой выполняется соотношение 2M_м+ M_б|/|M_м|>>1 то есть в состоянии, близком к компенсации момента импульса, резко возрастает эффективное значение гиромагнитного отношения и как следствие предельная скорость доменных стенок и скорость вращения намагниченности, которые пропорциональны гиромагнитному отношению. Это обеспечивает повышение быстродействия магнитооптического элемента.

К числу быстрорелаксирующих, в частности, относятся следующие магнитные ионы: Tm³⁺, Yb³⁺, Er³⁺, Ho³⁺, Dy³⁺, Tb³⁺, Eu³⁺, Pr³⁺, Nd³⁺, Fe²⁺ и Fe⁴⁺. К числу медленнорелаксирующих магнитных ионов относятся Fe³⁺ и Gd³⁺.

Дополнительно быстродействие можно повысить, если в магнитооптическом элементе наводится орторомбическая анизотропия, то может иметь место, если феррит-гранат содержит европий, одновременно иттрий и висмут или гадолиний и висмут.

На подложках со структурой граната, из фианита, сапфира, стекла и полиметилметакрилата магнитооптический материал можно наносить в виде поликристаллических или аморфных пленок с помощью распыления или методом пиролиза. В случае подложек из немагнитных гранатов магнитооптический материал можно получать в виде эпитаксиальных пленок методом жидкофазной эпитаксии. В этих монокристаллических пленках наводится достаточно сильная одноосная магнитная анизотропия, если в их состав входят два редкоземельных элементах с разным ионным радиусом либо висмут и редкоземельный элемент, при этом вектор намагниченности в пленке ориентируется перпендикулярно ее плоскости; если одноосная магнитная анизотропия мала либо наводится анизотропия типа "легкая плоскость" вектора намагниченности ориентируются в плоскости пленки. Наибольшая одноосная анизотропия наводится при ориентации подложки /111/, а при ориентации /110/, /210/ и /211/ может наводиться орторомбическая анизотропия.

Для обеспечения компенсации момента импульса ионы железа в структуре граната замещают немагнитными ионами в тетраэдрической подрешетке. Наибольший уровень замещения требуется при использовании для этой цели ионов алюминия, затем галлия, поскольку часть этих ионов входит в октаэдрическую подрешетку. Меньший уровень замещения железа требуется при использовании четырехвалентных ионов германия и кремния, а также пятивалентных ионов ванадия, однако в этих случаях в додекаэдрическую подрешетку необходимо для зарядовой компенсации вводить ионы кальция, причем в случае ванадия их требуется вдвое больше.

Уменьшить уровень замещения железа, необходимый для обеспечения компенсации момента импульса, можно, если в додекаэдрическую подрешетку вводить медленнорелаксирующие магнитные ионы гадолиния.

Выбор конкретного быстрорелаксирующего магнитного иона, немагнитного иона, входящего в ту или иную подрешетку граната, определяется не только условием обеспечения зарядовой компенсации, но и необходимостью согласования параметров решеток пленки и подложки при использовании жидкофазной эпитаксии, заданными значениями параметров феррит-граната: магнитной анизотропии, намагниченности насыщения, размера доменов, параметра затухания, значений температур компенсации магнитного момента и момента импульса, температуры Нееля и др. В частности, где использовании в магнитооптическом элементе управляющих токовых структур из высокотемпературного сверхпроводника необходима, чтобы температура компенсации момента импульса равнялась рабочей температуре, т.е. ниже температуры перехода в сверхпроводящее состояние.

Одновременное обеспечение в магнитооптическом материале компенсации момента импульса и орторомбической магнитной анизотропии повышает термостабильность динамических свойств феррит-граната. Дополнительно термостабильность можно повысить, используя композиционно-модулированный магнитооптический материал, где чередуются слои с разной температурой компенсации момента импульса, причем эти температуры должны быть достаточно близки.

Пример 1. На стеклянные подложки методом пиролиза наносили поликристаллические пленки состава Ho₁Bi₂Fe_3,6Ga_1,4O₁₂. Время перемагничивания этих пленок не превышало 5 нс, а температура Нееля составляла 130^oC.

Пример 2. На подложках из гадолиний-галлиевого граната с ориентацией /III/ методом жидкофазной эпитаксии выращивали пленки состава Gd_1,0Tm_0,5Ho_0,7Bi_0,8Fe_4,2 Ga_0,8-kAl_kO₁₂. Скорость движения в этих магнитоодноосных пленках достигала 1200 м/с, а температура Нееля 168^oC.

Пример 3. На подложках из гадолиний-кальций-магний-цирконий-галлиевого граната с ориентацией /110/ методом жидкофазной эпитаксии выращивали пленки состава Eu₁Gd₁Bi₁Fe_4,3Ga_0,7O₁₂, в которых скорость доменных стенок, достигающая 1400 м/с, в диапазоне температур шириной 100^oC изменялась не более чем на 20% а температура Нееля превышала 200^oC.

Пример 4. На подложках из гадолиний-галлиевого граната с ориентацией /111/ методом жидкофазной эпитаксии последовательно наносили слои феррит-граната, чередуя условия синтеза. В полученных композиционно-модулированных пленках скорость доменных стенок превышала 1000 м/с в диапазоне температур шириной 90^oC, тогда как в однородных пленках состава Bi_1,5Tm_1,5Fe_3,5Ga_1,5, выращенных из того же раствора расплава этот температурный диапазон составлял 27^oC.

Пример 5. На подложках из неодим-галлиевого граната с ориентацией /III/ методом жидкофазной эпитаксии выращивали пленки состава Gd_0,8Lu_0,5Eu_1,0Ca_0,7Fe_4,1 Ga_0,55 V_0,35O₁₂. Температура Нееля составила 190^oC, а скорость доменных стенок в точке компенсации момента импульса 1600 м/с.

Использование: изобретение относится к прикладной магнитооптике, в частности к устройствам на основе магнитооптического эффекта Фарадея, и промышленно применимо в магнитооптических устройствах типа дефектоскопов, считывающих головок, пространственно-временных модуляторов света, переключателей, дефлекторов и других магнитооптических устройствах, в которых используется механизм движения намагниченности. Сущность: магнитооптический элемент выполнен из феррит-граната и содержит по крайней мере один быстрорелаксирующий редкоземельный ион и соответствует химической формуле R_xA_yFe_uM_vO₁₂. Здесь A - немагнитный и/или медленнорелаксирующий магнитный ион, M - немагнитный ион, замещения таковы, что x ≅3, y ≅3, u ≅5, v ≅3. В диапазоне температур, где имеет место магнитное упорядочение, феррит-гранат имеет точку компенсации момента импульса, вблизи которой выполняется соотношение |M_м+ M_б|/|M_м|>>1,где M_м - суммарный магнитный момент всех медленнорелаксирующих магнитных ионов, M_б - суммарный магнитный момент всех быстрорелаксирующих магнитных ионов. 36 з.п. ф-лы.

1. Магнитооптический элемент, содержащий по крайней мере один слой из магнитооптического материала со структурой граната, в состав которого входит по крайней мере один быстрорелаксирующий редкоземельный элемент R и железо, отличающийся тем, что он соответствует химической формуле
R_xA_yFe_uM_vO_1 2,
где A по крайней мере один немагнитный и/или медленнорелаксирующий магнитный ион;
М немагнитный ион;
x ≅ 3;
y ≅ 3;
u ≅ 5;
v ≅ 3,
причем при температуре Т К, удовлетворяющей условию
0 < Т < Т_N,
где T_N температура Нееля магнитооптического материала, выполняется соотношение |M_м+ M_б|/|M_м|>>1,
где М_м суммарный магнитный момент всех медленнорелаксирующих магнитных ионов;
М_б суммарный магнитный момент всех быстрорелаксирующих магнитных ионов. 2. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит подложку, на которую нанесен слой из магнитооптического материала со структурой граната. 3. Элемент по п.2, отличающийся тем, что подложка выполнена прозрачной. 4. Элемент по пп. 2 и 3, отличающийся тем, что подложка выполнена монокристаллической. 5. Элемент по п.4, отличающийся тем, что подложка выполнена со структурой граната. 6. Элемент по п.5, отличающийся тем, что подложка выполнена из гадолиний-галлиевого граната. 7. Элемент по п. 5, отличающийся тем, что подложка выполнена из самарий-галлиевого граната. 8. Элемент по п.5, отличающийся тем, что подложка выполнена из неодим-галлиевого граната. 9. Элемент по п. 5, отличающийся тем, что подложка выполнена из кальций-ниобий-галлиевого граната. 10. Элемент по п.5, отличающийся тем, что подложка выполнена из гадолиний-кальций-магний-цирконий-галлиевого граната. 11. Элемент по п.5, отличающийся тем, что подложка выполнена из гадалиний-скандий-галлиевого граната. 12. Элемент по пп. 5 11, отличающийся тем, что подложка выполнена с ориентацией (111). 13. Элемент по пп.5 11, отличающийся тем, что подложка выполнена с ориентацией (110). 14. Элемент по пп.5 11, отличающийся тем, что подложка выполнена с ориентацией (210). 15. Элемент по пп.5 11, отличающийся тем, что подложка выполнена с ориентацией (211). 16. Элемент по пп.5 15, отличающийся тем, что слой из магнитооптического материала выполнен в виде эпитаксиальной пленки. 17. Элемент по п.4, отличающийся тем, что подложка выполнена из фианита. 18. Элемент по п.4, отличающийся тем, что подложка выполнена из сапфира. 19. Элемент по п.3, отличающийся тем, что подложка выполнена из стекла. 20. Элемент по п.3, отличающийся тем, что подложка выполнена из полиметилметакрилата. 21. Элемент по пп.17 20, отличающийся тем, что слой из магнитооптического материала выполнен в виде поликристаллической пленки. 22. Элемент по пп. 17 20, отличающийся тем, что слой из магнитооптического материала выполнен в виде аморфной пленки. 23. Элемент по пп. 1 22, отличающийся тем, что слой из магнитооптического материала выполнен в виде висмутсодержащего феррит-граната. 24. Элемент по пп.1 23, отличающийся тем, что слой из магнитооптического материала выполнен из феррит-граната состава
R_xLn_yFe_uM_vO₁₂,
где R Tm, Yb, Er, Ho, Dy, Tb, Eu, Nd и/или Pr;
Ln Lu, Y, La и/или Bi;
M Ga, Al, Sc и/или In. 25. Элемент по п.24, отличающийся тем, что слой из магнитооптического материала выполнен из феррит-граната состава R_xBi_yFe_uM_vO₁₂. 26. Элемент по пп.1 23, отличающийся тем, что слой из магнитооптического материала выполнен из феррит-граната состава
R_xLn_y-zCa_zFe_uM_y Me_zO₁₂,
где R Tm, Yb, Er, Ho, Dy, Tb, Eu, Nd и/или Pr;
Ln Lu, Y, La и/или Bi;
M Ga, Al, Sc и/или In;
Me Ge и/или Si;
z ≅ 1,5. 27. Элемент по пп.1 23, отличающийся тем, что слой из магнитооптического материала выполнен из феррит-граната состава R_xLn_y-zCa_zFe_u-zMe_zO₁₂,
где R Tm, Yb, Er, Ho, Dy, Tb, Eu, Nd и/или Pr;
Ln Lu, Y и/или La, Bi;
Me Ge и/или Si;
z ≅ 1,5. 28. Элемент по пп.1 23, отличающийся тем, что слой из магнитооптического материала выполнен из гадолиний-содержащего феррит-граната. 29. Элемент по п.28, отличающийся тем, что гадолинийсодержащий феррит-гранат выполнен состава
R_xLn_y-p-zGd_pCa_zFe_uM_v-zMe_zO₁₂,
где R Tm, Yb, En, Ho, Dy, Tb, Eu, Nd и/или Pr;
Ln Lu, Y, La и/или Bi;
M Ga, Al, Sc и/или In;
Me Ge и/или Si;
z ≅ 1,5;
p ≅ 2,8. 30. Элемент по п.28, отличающийся тем, что гадолинийсодержащий феррит-гранат выполнен состава
R_xLn_y-pGd_pFe_uM_vO₁₂,
где R Tm, Yb, Er, Ho, Dy, Tb, Eu, Nd и/или Pr;
Ln Lu, Y, La и/или Bi;
M Ga, Al, Sc и/или In;
p ≅ 2,8. 31. Элемент по п.28, отличающийся тем, что гадолинийсодержащий феррит-гранат выполнен состава
R_xLn_y-z-pGd_pCa_zFe_u-zMe_zO₁₂,
где R Tm, Yb, Er, Ho, Dy, Tb, Eu, Nd и/или Pr;
Ln Lu, Y, La и/или Bi;
Me Ge и/или Si;
z ≅ 1,5;
p ≅ 2,8. 32. Элемент по пп.1 23, отличающийся тем, что слой из магнитооптического материала выполнен из ванадийсодержащего феррит-граната. 33. Элемент по п.32, отличающийся тем, что ванадийсодержащий феррит-гранат выполнен состава
R_xLn_y-2qCa_2qFe_u-qV_qM_vO₁₂,
где R Tm, Yb, Er, Ho, Dy, Tb, Eu, Nd, и/или Pr;
Ln Lu, Y, La и/или Bi;
M Ga, Al, Sc и/или In;
q ≅ 0,7. 34. Элемент по п.32, отличающийся тем, что ванадийсодержащий феррит-гранат выполнен состава
R_xLn_y-2q-rCa_2q+rFe_u-q-rV_qMe_rO₁₂,
где R Tm, Yb, Er, Ho, Dy, Tb, Eu, Nd и/или Pr;
Ln Lu, Y, La и/или Bi;
Me Ge и/или Si;
q ≅ 0,7;
r ≅ 0,7. 35. Элемент по п.32, отличающийся тем, что ванадийсодержащий феррит-гранат выполнен состава
R_xLn_y-z-2qGd_zCa_2qFe_u-qV_qM_vO₁₂,
где R Tm, Yb, Er, Ho, Dy, Tb, Eu, Nd и/или Pr;
Ln Lu, Y, La и/или Bi;
M Ga, Al, Sc и/или In;
z ≅ 1,5;
q ≅ 0,7. 36. Элемент по пп. 1 35, отличающийся тем, что он содержит по крайней мере два последовательно нанесенных слоя из магнитооптического материала, причем соотношение |M_м+ M_б|/|M_м|>>1 выполняется в соседних слоях при разных температурах, различающихся на величину ΔT.
37. Элемент по п. 36, отличающийся тем, что величина ΔT удовлетворяет соотношению |ΔT|/T_N<< 1.P