МАГНИТООПТИЧЕСКАЯ ТОНКОПЛЕНОЧНАЯ СТРУКТУРА Российский патент 1999 года по МПК G02F1/09 

Изобретение откосится к магнитооптическим структурам, предназначенным для использования в системах оптической обработки информации, и может быть использовано при создании датчиков, преобразователей магнитных полей и других устройств аналогичного назначения.

В настоящее время широко известны висмутсодержащие феррит- гранатовые материалы в виде тонких или многослойных пленок, используемые для визуализации и наблюдения магнитных полей. В частности, эпитаксиальные висмутсодержащие пленки используют как для наблюдения магнитных полей от различных источников, так и для обработки информации в магнитооптических приборах и системах [1,2] . Такие эпитаксиальные пленки представляют собой структуры, выращиваемые на монокристаллических диэлектрических подложках гадолиний- галлиевого граната (ГГГ) обычно плоскостной кристаллографической ориентации [111], [110] или [210].

Известны магнитооптические пленки со структурой граната состава (Bi,Y, Tm, Gd)₃(Fe, Ga)₅O₁₂, применяемые в устройствах отображения, оптических устройствах обработки данных, в элементах памяти [3]. Как показано на фиг. 1, такая пленка 1,
эпитаксиально выращенная на подложке 2 из ГГГ с ориентацией [111], имеет одноосную анизотропию, направленную вдоль оси с ориентацией [111]. Удельное значение фарадеевского вращения в такой пленке, измеренное на длине волны 546,1 нм проходящего света, составляет порядка 3 град/мкм. Такая пленка проявляет гистерезис B-H фарадеевского вращения в функции приложенного поля вдоль оси [111]. Величина поля, требуемая для переключения пленки между противоположными состояниями насыщения, варьируется в пределах 30-400 Э.

Пленка, подобная показанной на фиг. 1, имеет одноосное направление намагниченности, т.е. вектор 3 намагниченности направлен перпендикулярно плоскости пленки. Таким пленкам свойственна "лабиринтная" доменная структура, схематично представленная на фиг.1. Она возникает в отсутствие внешнего магнитного поля H_внеш, перпендикулярного плоскости пленки, или если такое поле невелико.

При приложении к пленке 1 внешнего поля H_внеш достаточного уровня ее доменная структура изменяется, приблизительно представляя форму магнитного потока от соответствующего источника. На этом явлении основана визуализация магнитного поля с помощью висмутсодержащих феррит-гранатовых пленок. Включение висмута в состав феррит-гранатовой пленки улучшает ее магнитооптические свойства.

К недостаткам таких пленок следует отнести сравнительно низкое разрешение, которое ограничено шириной полосового домена. Ширину полосового домена можно уменьшить, увеличивая намагниченность насыщения 4πM_s пленки, однако при этом чувствительность такой пленки к H_внеш сильно уменьшается. Можно увеличить намагниченность насыщения 4πM_s также за счет уменьшения толщины пленки. При этом, однако, пропорционально уменьшается фарадеевское вращение вектора поляризации света, что затрудняет наблюдение при визуализации магнитного поля. В одноосных висмутсодержащих феррит-гранатовых пленках достигнуто разрешение не лучше, чем 1,2 мкм для источников магнитного поля, имеющих отношение сигнал/шум в диапазоне 45-50 дБ.

Известны также магнитооптические структуры с висмутсодержащими феррит-гранатовыми пленками, вектор намагниченности которых направлен вдоль плоскости пленки, так называемой пленки с "легкой плоскостью" [4,5]. Указанная структура схематично представлена на фиг.2. Подложкой 2 для такой пленки 1, обычно является монокристалл ГГГ или сложно-замещенного ГГГ с Ca, Mg, Zr или иной монокристаллический диэлектрический материал с соответствующим параметром кристаллической решетки. Ориентация подложек для феррит-гранатовых пленок с "легкой плоскостью" намагниченности может быть [111], [210], [100]. Вектор 3 намагниченности под действием перпендикулярной компоненты внешнего магнитного поля, т.е. H_⊥внеш, отклоняется от плоскости пленки на некоторый угол, зависящий от напряженности H_⊥внеш. Угол фарадеевского вращения вектора поляризации света пропорционален углу отклонения от плоскости пленки, т.е. пропорционален H_⊥внеш. .

Главными преимуществами пленок с "легкой плоскостью" являются высокое разрешение и возможность осуществления глубокой оптической модуляции, т.е. получения более контрастного изображения магнитного поля при его наблюдении. Эта возможность связана с большими значениями фарадеевского вращения. Однако для достижения таких значений необходимо введение в кристаллографическую решетку пленки большего количества ионов висмута. В свою очередь, увеличение количества ионов висмута увеличивает анизотропию поля H_А феррит-гранатовой пленки и, следовательно, увеличивает требуемое значение поля H_⊥внеш для получения того же угла вращения вектора Иными словами, чувствительность пленки уменьшается. Более того, при введении ионов висмута в состав пленки выше определенного количества она становится одноосной.

Задачей изобретения является создание магнитооптической структуры, преимущественно в качестве датчика магнитных полей, преодолевающей недостатки аналогичных структур, известных из предшествующего уровня техники. Достигаемым при этом техническим результатом является повышение разрешения и чувствительности, обеспечение высокого значения фарадеевского вращения поляризованного света и высокого быстродействия при приложении импульсного внешнего магнитного поля.

Указанный результат достигается тем, что в магнитооптической тонкопленочной структуре, содержащей подложку из диэлектрического материала со структурой граната, на которую нанесена пленка магнитного материала с вектором намагниченности, лежащим в плоскости пленки, причем в качестве магнитного материала пленки выбран висмутсодержащий галлиевый феррит-гранат, отличающейся тем, что подложка выполнена из монокристалла гадолиний-галлиевого граната, кристаллографическая ось [100] которого смещена относительно перпендикуляра к плоскости подложки и соответственно плоскости пленки из висмутсодержащего феррит-граната на угол А, не превышающий величины отклонения до направления кристаллографической оси [210], причем висмутсодержащий феррит- гранат допирован редкоземельными элементами.

При этом угол А между кристаллографической осью [100] монокристаллической подложки и перпендикуляром к плоскости подложки с пленкой из висмутсодержащего феррит-граната, отсчитываемый в направлении к кристаллографической оси [210] монокристалла подложки, предпочтительно выбран в пределах
0 < A ≤4^o.

Кроме того, в качестве допирующих редкоземельных элементов могут быть выбраны элементы из группы, состоящей из туллия, лютеция, гадолиния в отдельности и их комбинаций.

И наконец, магнитный материал пленки предпочтительно содержит от 0,8 до 0,85 ионов висмута и от 1,1 до 1,15 ионов галлия на одну формульную единицу кристаллической структуры упомянутого материала.

Изобретение поясняется чертежами, на которых представлено следующее:
фиг. 1 - иллюстрация вышеупомянутой "лабиринтной" доменной структуры в магнитооптической тонкопленочной структуре с вектором намагниченности, перпендикулярным плоскости пленки из магнитного материала;
фиг. 2 - схематичное представление известной магнитооптической тонкопленочной структуры с вектором намагниченности, лежащим в плоскости пленки из магнитного материала;
фиг. 3 - схематичное представление магнитооптической тонкопленочной структуры, соответствующей изобретению, иллюстрирующее ориентацию кристаллографических осей.

Соответствующие изобретению признаки ориентации подложки и состава нанесенного на нее слоя - пленки магнитного материала - обеспечивают оптимальные параметры для поля анизотропии H_А, намагниченности насыщения 4πM_s, , коэффициента фарадеевского вращения θ_F и фактора магнитной добротности Q = 2H_A/4πM_s при сохранении минимальных значений для H_А и 4πM_s.
В результате проведенных заявителем исследований и экспериментов по изучению влияния изменения ориентации подложки на поле анизотропии H_А на чувствительность θ_F/H_⊥внеш было обнаружено, что упомянутая ориентация подложки, представленная на фиг.3, характеризуемая углом A между перпендикуляром 4 к плоскости подложки 1 с нанесенной пленкой 2 и кристаллографической осью [100] 5 в пределах до 4 , при переходе к направлению кристаллографической оси [210] 6 дает наилучшие результаты в аспекте чувствительности θ_F/H_⊥внеш. При увеличении угла А ориентации подложки 1 от 0^o до 4^o включительно поле анизотропии H_А постепенно уменьшается, в чувствительность θ_F/H_⊥внеш резко возрастает. При дальнейшем отклонении ориентации подложки, превышающем 4^o, верхний слой феррит-гранатовой пленки изменяет направление намагниченности на перпендикулярное к плоскости пленки. В частности, при величине отклонения от ориентации [100], равной 6^o вся эпитаксиальная монокристаллическая пленка по всей толщине становится одноосно намагниченной и появляется "лабиринтная" доменная структура (фиг. 1), как в обычных пленках феррит-граната с ориентацией [111].

Угол ориентации вектора 3 намагниченности пленки 2 от перпендикулярного направления к положению в плоскости пленки 2, т.е. от ориентации вектора 3 намагниченности показанной на фиг. 1, к его ориентации, показанной на фиг. 2, также зависит от количества ионов висмута и галлия в составе монокристаллического слоя и от условий роста пленки и методов выращивания или нанесения. При содержании галлия менее 1,1 иона на одну формульную единицу монокристаллической структуры намагниченность насыщения становится большой ( 4πM_s > 200 Гс). В этом случае у пленок магнитная добротность Q уменьшается ( Q -фактор < 1), а чувствительность резко падает и требуются большие значения H_⊥внеш, чтобы отклонить вектор от направления [100]. При введении галлия в количестве больше, чем 1,15 иона на одну формульную единицу ( 4πM_s≅ 70 Гс) магнитная добротность Q становится больше 1, и вектор находится в положении, перпендикулярном плоскости пленки ("лабиринтная'' доменная структура).

Ограничения на содержание висмута связаны с требованием более высоких значений фарадеевского коэффициента и определяются величинами H_А и 4πM_s. Пленки при содержании висмута менее 0,8 иона на одну формульную единицу имеют малые значения θ_F. . Этот недостаток пленок непосредственно связан с содержанием висмута в кристаллической решетке. Однако когда содержание висмута становится больше, чем 0,85 иона на одну формульную единицу, параметр a_F решетки пленки становится больше, чем параметр a_s решетки подложки из ГГГ, что вызывает значительную стрессовую анизотропию вдоль плоскости, определяемой кристаллографической осью [100], и чувствительность пленок уменьшается. При этом также уменьшается магнитооптическая добротность θ_F/α, где α - -оптическое поглощение.

Пример конкретного выполнения
В соответствии с изобретением изготавливалась магнитооптическая структура, содержащая подложку, на которой выращивались тонкие эпитаксиальные пленки состава
RE_3,0-0,81 Bi_0,81 Fe_3,85 Ga_1,15 O_12,0,
где RE - редкоземельные элементы.

Пленки выращивались способом жидкофазной эпитаксии на монокристаллической подложке ГГГ. Определенный выше угол отклонения ориентации подложки относительно кристаллографической оси [100] изменялся в пределах от 0^o до 6^o, и далее была взята подложка с ориентацией [210].

Монокристаллические пленки были выращены при следующих соотношениях расплавных компонент;
R₁ = RE₂O₃ / Fe₂O₃ = 34,0
R₂ = Fe₂О₃ / Ga₂O₃ = 6,47
R₃ = PbO/Bi₂O₃ = 1,0
R₄ = 0,095
R₅ = PbO/B₂O₃ = 4,17
Температура роста 720^oC.

Скорость вращения подложки 120 об/мин.

Толщина пленок 3,0 мкм.

Пленки вышеуказанного состава имели оптимальные параметры:
при H_⊥внеш= 20 Э чувствительность равна 0,55 угл.^o/мкм;
при H_⊥внеш= 100 Э чувствительность равна 0,65 угл.^o/мкм.

В таблице приведены параметры пленок вышеуказанного состава, выращенных на подложках с разными углами отклонения ориентации от плоскости, определяемой кристаллографической осью [100].

Результаты, приведенные в таблице, показывают, что положение вектора намагниченности вдоль плоскости пленки сохраняется до значения угла отклонения перпендикуляра к плоскости подложки относительно кристаллографической оси [100] , равного 4^o включительно. При значении этого угла, равного 6^o , появляется субслой, начинающийся от открытой поверхности пленки, который имеет вектор намагниченности перпендикулярный плоскости пленки. При дальнейшем увеличении этого угла и переходе к оси [210] пленка по всей толщине имеет вектор перпендикулярный плоскости пленки.

Источники информации
1. Scott G. B. , IEEE Transactions of Magnetics Vol.MAG- 12, N.4, pp. 292-310, 1976.

2. Tolksdorf W.,Thin Solid Films. Vol.114, N.1-2, pp.33-43, 1984.

3. Gualtieri D.M. and Tumelty P.F. J.Appl.Phys. 57(1)15, April 1985, pp. 3879-3881.

4. Гусев М.Ю., Письма в ЖТФ. Том 14, N. 18, стр.1659-1662, 1988.

5. T. Mizuluoto et al. IEEE Transactions on Magnetics. Vol. 29, N. 6, November 1993, pp.3417-3419.

Использование: изобретение относится к магнитооптическим структурам, используемым в системах оптической обработки информации, в датчиках и преобразователях магнитных полей. Сущность изобретения: в магнитооптической структуре, содержащей подложку 1 из монокристалла гадолиний-галлиевого феррит-граната, на которую нанесена пленка 2 из висмутсодержащего галлиевого феррит-граната с вектором 3 намагниченности, лежащим в плоскости пленки, кристаллографическая ось [100]5 монокристалла подложки 1 смещена относительно перпендикуляра 4 к плоскости подложки 1 на угол, не превышающий величины отклонения до кристаллографической оси [210]6, предпочтительно в пределах от 0° до 4^o включительно, причем висмутсодержащий феррит-гранат дозирован редкоземельными элементами, предпочтительно туллием, гадолинием, лютецием или их комбинациями. 3 ил., 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Магнитооптическая тонкопленочная структура, содержащая подложку из диэлектрического материала со структурой граната, на которую нанесена пленка магнитного материала с вектором намагниченности, лежащим в плоскости пленки, причем в качестве магнитного материала пленки выбран висмутсодержащий галлиевый феррит-гранат, отличающаяся тем, что подложка выполнена из монокристалла гадолиний-галиевого граната, кристаллографическая ось [100] которого смещена относительно перепендикуляра к плоскости подложки со стороны упомянутой пленки магнитного материала на угол A, не превышающий величины отклонения до кристаллографической оси [210], при этом висмутсодержащий галлиевый феррит-гранат допирован редкоземельными элементами. 2. Структура по п.1, отличающийся тем, что угол A между кристаллографической осью [100] монокристаллической подложки и перпендикуляром к плоскости подложки, отсчитываемый от упомянутого перпендикуляра в направлении к кристаллографической оси [210] монокристалла подложки, выбран в пределах
0^o < A ≤ 4^o. 3. Структура по п.1 или 2, отличающаяся тем, что в качестве допирующих редкоземельных элементов выбраны элементы из группы, состоящей из туллия, лютеция, гадолиния в отдельности и их комбинаций. 4. Структура по п.1, или 2, или 3, отличающаяся тем, что магнитный материал пленки содержит от 0,8 до 0,85 ионов висмута и от 1,1 до 1,15 ионов галлия на одну формальную единицу кристаллической структуры упомянутого материала.