МАГНИТООПТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 2011 года по МПК G11B5/708 G02F1/09 

Изобретение относится к области магнитной микроэлектроники, в частности к прикладной магнитооптике, и может быть использовано для записи термомагнитооптическим способом информации как в цифровом, так и в аналоговом режимах.

Материалы для термомагнитооптических запоминающих устройств должны обладать повышенной коэрцитивностью.

В настоящее время известен магнитооптический материал для термомагнитной записи информации, представляющий собою монокристаллические пластинки ортоферрита иттрия YFeO₃. Высококоэрцитивное состояние в данном материале индуцируется путем механической обработки (шлифовкой и полировкой)(см.:

1). Балбашов A.M., Червоненкис А.Я. Магнитные материалы для микроэлектроники. - М.: Энергия, 1979, - 216 с.;

2). Рандошкин В.В., Червоненкис А.Я. Прикладная магнитооптика. - М.: Энергоатомиздат, 1990, - 320 с.).

Однако данный материал обладает рядом недостатков:

а) поскольку качественные кристаллы ортоферрита иттрия можно вырастить только методом безтигельной зонной плавки (а метод позволяет получать кристаллы данного состава небольших размеров), получаются пластинки малой площади, что ограничивает возможности записи информации;

б) разрешающая способность среды для магнитооптической записи определяется минимальным размером устойчивого момента (см. Балбашов A.M., Червоненкис А.Я. Магнитные материалы для микроэлектроники. - М.: Энергия, 1979, - с.36). Так как пластины YFeO₃ из-за малого значения намагниченности насыщения 4πM_s и большой толщины ( ~ 100 мкм) обладают крупной доменной структурой, это снижает их разрешающую способность;

в) плотность мощности, необходимая для термомагнитной записи информации, определяется выражением (см. Балбашов A.M., Червоненкис А.Я. Магнитные материалы для микроэлектроники. - М.: Энергия, 1979, - с.37):

I=4π²KtΔT/d²·[1-exp(-αt)],

где: К - коэффициент теплопроводности среды;

ΔT=Т_Н-Т_О (Т_Н - температура нагрева материала, Т_О - температура окружающей среды);

t - толщина материала (пластины, пленки) для записи информации;

α - коэффициент оптического поглощения материала для записи информации;

d - размер записываемого бита информации.

Таким образом, с точки зрения энергетики термомагнитной записи информации предпочтительно, чтобы материал - среда записи обладал низкой теплопроводностью К, высоким коэффициентом оптического поглощения α, малой толщиной t и для записи информации требовал малого значения ΔT. Лучше этим требованиям по сравнению с пластинками YFeO₃ удовлетворяют магнитные диэлектрические пленки.

Еще одним термомагнитооптическим материалом служат высококоэрцитивные эпитаксиальные пленки Bi-содержащих гранатов, выращенные на подложках Gd₃Ga₅O₁₂. (см.: 1). Балбашов A.M., Червоненкис А.Я. Магнитные материалы для микроэлектроники. - М.: Энергия, 1979. - 216 с.;

2) Рандошкин В.В., Червоненкис А.Я. Прикладная магнитооптика. - М.: Энергоатомиздат, 1990, - 320 с.).

Повышенная коэрцитивность в таких пленках создается сеткой дислокаций несовпадения, служащей потенциальным рельефом для движущейся доменной пленки (см. Индуцированная коэрцитивность в монокристаллах ортоферритов и эпитаксиальных пленках гранатов / A.M.Балбашов, А.Я.Червоненкис, М.Л.Шупегин, А.П.Черкасов // Микроэлектроника. 1982, т.11. Вып.2, с.126-133).

Недостатки данного материала:

а) так как пленки выращивают на подложках Gd₃Ga₅O₁₂, концентрация в них ионов Bi³⁺ - небольшая, что не позволяет получить высокой магнитооптической добротности и существенно снижает возможности материала;

б) генерация дислокаций в данном материале производится за счет большой разницы в параметрах решетки пленки и ее подложки (Δа/а≥0,005), однако в этом случае пленки растут далеко не всегда, а если растут, то качество их - низкое.

Наиболее близким (прототипом) к предлагаемому материалу является магнитооптическая среда, представляющая собою эпитаксиальную монокристаллическую пленку феррита-граната (YBi)₃(FeGa)₅O₁₂, нарощенную на подложке немагнитного граната с высоким значением параметра решетки, например (GdCa)₃(GaMgZr)₅O₁₂, Са₃(Nb,Li)₂Gа₃O₁₂, Ca₃(Nb,Mg)₂Ga₃ О₁₂, Ca₃(NbMg)₂Ga₃O₁₂ или Ca₃(Nb,Zr)₅O₁₂ (см. Рандошкин В.В., Червоненкис А.Я. Прикладная магнитооптика. - М.: Энергоатомиздат, 1990, - 320 с.). Недостаток данного материала - низкое значение коэрцитивной силы Н_c, что делает его непригодным для термомагнитооптической записи.

Цель изобретения - создание эффективного термомагнитооптического материала с высоким значением Н_c и повышение контраста записи.

Цель изобретения достигается тем, что в процессе выращивания в раствор-расплав добавляется определенное количество оксида кальция СаО марки ОСЧ. В результате получаются пленки, легированные ионами Са²⁺((YBi)₃(FeGa)₅O₁₂:Са²⁺) и обладающие высоким значением Н_c.

Сущность изобретения состоит в следующем. Известно, что ионы Са²⁺ в эпитаксиальных монокристаллических пленках ферритов-гранатов (ЭМПФГ), при отсутствии ионов валентности выше «3+», компенсируются преимущественно кислородными вакансиями (см.: Костишин В.Г. Модификация свойств эпитаксиальных монокристаллических пленок ферритов-гранатов (YSmLuCa)₃(FeGe)₅ O₁₂ воздействием γ-квантов Со⁶⁰. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физ.-мат. наук. М.: МИСиС, 1995, - 196 с.)

Кислородные вакансии в оксидных кристаллах могут находиться в трех зарядовых состояниях: V_O2- ²⁺ V_O2- ⁺ (F⁺ - центр) и V°_O2-(F-центр). Нейтральные кислородные вакансии (F-центры) объединяются в кластеры, «тормозящие» движение доменной стенки, что приводит к росту коэрцитивной силы

Н_c (см.:

1) Костишин В.Г. Модификация свойств эпитаксиальных монокристаллических пленок ферритов-гранатов (YSmLuCa)₃(FeGe)₅O₁₂ воздействием γ-квантов Со⁶⁰. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физ.-мат. наук. М.: МИСиС, 1995, - 196 с.;

2) Ткалич А.К. Влияние точечных дефектов и концентрационных неоднородностей на свойства монокристаллических пленок магнитных гранатов. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физ.-мат. наук. М.: МИСиС, 1992, - 153 с.).

При проведении процесса записи бита информации термомагнитооптическим способом локальный участок магнитной пленки нагревается лазерным или электронным лучом до температуры Кюри. Для записи обычно используют дополнительное магнитное поле смещения, ориентированное против направления намагниченности среды. Если результирующее магнитное поле (поле смещения плюс размагничивающее поле) меньше, чем коэрцитивная сила при комнатной температуре, но больше, чем коэрцитивная сила при температуре записи, то в результате локального нагрева участка пленки лазерным излучением намагниченность в этом месте переориентируется по направлению приложенного поля и останется в этом направлении после остывания среды. Направление намагниченности окружающих ненагретых областей не изменяется, так как для них результирующее поле меньше коэрцитивной силы. В результате в поляризованном свете мы сможем наблюдать светлый участок на темном фоне или наоборот. То есть получим бит информации.

Следует отметить, что под воздействием температуры F-центры в нагретом участке ионизируются и переходят в F⁺-центры, что существенно понизит оптическое поглощение термически обработанного участка и тем самым повысит контраст записанного изображения.

Таким образом, предлагаемый материал по сравнению с прототипом обладает следующим отличительным признаком:

1) Эпитаксиальная пленка содержит 0,1-0,4 формульных единиц ионов Са²⁺ Использование указанного отличительного признака для достижения поставленной цели авторам неизвестно.

Пределы содержания ионов Са²⁺ (0,1-0,4) форм. ед. выбраны из следующих соображений. При N_Ca2+<0,1 ф.е. пленки обладают недостаточной величиной Н_c и не годятся для термомагнитной записи. При N_Ca2+>0,4 ф.е. начинает существенно ухудшаться качество пленок.

Параметр решетки подложки выбирается равным a=12,380Å-12,560Å. Указанный диапазон обусловлен возможными границами параметра решетки качественных кристаллов сложно-замещенных гранатов (обладающих повышенными значениями параметра решетки и прозрачных в видимом и ближнем ИК-диапазоне), применяющихся в качестве подложечного материала для наращивания эпитаксиальных Bi-содержащих пленок ферритов-гранатов.

Следует отметить еще одно важное преимущество предлагаемого материала. Поскольку в данном материале при нагреве кроме перемагничивания происходит также существенное уменьшение оптического поглощения, этот факт можно использовать для одновременной записи и оптической, и магнитооптической информации.

На Фиг.1 представлена зависимость коэрцитивной силы Н_c ЭМПФГ (YBi)₃(FeGa)₅O₁₂, выращенных на подложках (GdCa)₃(GaMgZr)₅O₁₂ (параметр решетки a=12,490 Å) кристаллографической ориентации (111) от концентрации ионов Ca²⁺. С ростом концентрации кальция от 0,1 форм. ед. до 0,4 форм. ед. значение Н_с пленок интенсивно растет и при максимальной концентрации ионов Ca²⁺ может равняться 15,0 Э и более.

На Фиг.2 представлены спектры пропускания феррит-гранатовой пленки (YBi)₃(FeGa)₅O₁₂:Са²⁺ (N_Ca2+ = 0,25 форм. ед.), выращенной на подложке (GdCa)₃(GaMgZr)₅O₁₂ с параметром решетки a=12,490 Å в исходном состоянии (1) и после нагрева до температуры Кюри-Нееля (2). Видно, что нагрев существенно увеличивает пропускание данной пленки, что приведет к ощутимому увеличению контраста записанного изображения (информации) при термомагнитной записи.

Пример 1. В качестве объекта использовалась ЭМПФГ Y_0,7Bi_2,0Pb_0,05Pt_0,02Ca_0,2Fe_3,6Ga_1,3O₁₂. Пленка была выращена методом жидкофазной эпитаксии из раствора-расплава на основе РbО-Вi₂O₃-В₂O₃ на подложках (GdCa)₃(GaMgZr)₅O₁₂ (параметр решетки a=12,490 Å) кристаллографической ориентации (111). Температура роста пленки составляла 750°С. Магнитные параметры пленки: поле эффективной магнитной кристаллографической анизотропии H_k=4500 Э, коэрцитивная сила Н_c=5,6 Э, температура Кюри-Нееля T_N=405 К.

Термомагнитная запись информации в пленке проводилась с помощью полупроводникового лазера, используемая мощность лазерного излучения составляла Р=10 МВт. Качество записанного изображения контролировалось в поляризационном микроскопе. Наблюдалось качественное (высококонтрастное, с ровными контурами) изображение в виде областей круглой формы диаметром 10 мкм. Наблюдения за полученным изображением в течение двух месяцев не обнаружили ухудшения его качества.

Пример 2. В качестве объекта использовалась ЭМПФГ Y_0,92Bi_1,75Pb_0,04Pt_0,02Ca_0,25Fe_3,7Ga_1,2O₁₂. Пленка была выращена методом жидкофазной эпитаксии из раствора-расплава на основе РbО-Bi₂O₃-B₂O₃ на подложке (GdCa)₃(GaMgZr)₅O₁₂ (параметр решетки a=12,380 Å) кристаллографической ориентации (111). Температура роста пленки составляла 760°С. Магнитные параметры пленки: поле эффективной магнитной кристаллографической анизотропии H_k=4050 Э, коэрцитивная сила Н_c=6,2 Э, температура Кюри-Нееля T_N=405 К.

Термомагнитная запись информации в пленке проводилась с помощью полупроводникового лазера, используемая мощность лазерного излучения составляла Р=10 mВт. Качество записанного изображения контролировалось в поляризационном микроскопе. Наблюдалось качественное (высококонтрастное, с ровными контурами) изображение в виде областей круглой формы диаметром 8,7 мкм. Наблюдения за полученным изображением в течение двух месяцев не обнаружили ухудшения его качества.

Пример 3. В качестве объекта использовалась ЭМПФГ Y_0,4Bi_2,1Pb_0,06Pt_0,02Ca_0,4Fe_3,5Ga_1,4O₁₂. Пленка была выращена методом жидкофазной эпитаксии из раствора-расплава на основе РbО-Вi₂О₃-В₂О₃ на подложках (GdCa)₃(GaMgZr)₅O₁₂ (параметр решетки a=12,560 Å) кристаллографической ориентации (111). Температура роста пленки составляла 745°С. Магнитные параметры пленки: поле эффективной магнитной кристаллографической анизотропии Н_k=4675 Э, коэрцитивная сила Н_c=14,9 Э, температура Кюри-Нееля T_N=402 К.

Термомагнитная запись информации в пленке проводилась с помощью полупроводникового лазера, используемая мощность лазерного излучения составляла Р=10 mВт. Качество записанного изображения контролировалось в поляризационном микроскопе. Наблюдалось качественное (высококонтрастное, с ровными контурами) изображение в виде областей круглой формы диаметром 7,75 мкм. Наблюдения за полученным изображением в течение двух месяцев не обнаружили ухудшения его качества.

Пример 4. В качестве объекта использовалась ЭМПФГ Y_0,91Bi_1,66Pb_0,05Pt_0,02Ca_0,34Fe_3,6Ga_1,3O₁₂. Пленка была выращена методом жидкофазной эпитаксии из раствора-расплава на основе РbО-Вi₂O₃-В₂O₃ на подложках Ca₃Ga₃(NbZr)₂O₁₂ (параметр решетки a=12,450 Å) кристаллографической ориентации (111). Температура роста пленки составляла 750°С. Магнитные параметры пленки: поле эффективной магнитной кристаллографической анизотропии H_k=4400 Э, коэрцитивная сила Н_c=11,1 Э, температура Кюри-Нееля T_N=407 К.

Термомагнитная запись информации в пленке проводилась с помощью полупроводникового лазера, используемая мощность лазерного излучения составляла Р=10 mВт. Качество записанного изображения контролировалось в поляризационном микроскопе. Наблюдалось качественное (высококонтрастное, с ровными контурами) изображение в виде областей круглой формы диаметром 8,25 мкм. Наблюдения за полученным изображением в течение двух месяцев не обнаружили ухудшения его качества.

Пример 5. В качестве объекта использовалась ЭМПФГ Y_0,88Bi_1,92Pb_0,06Pt_0,02Ca_0,1Fe_3,6Ga_1,3O₁₂. Пленка была выращена методом жидкофазной эпитаксии из раствора-расплава на основе РbО-Вi₂O₃-В₂O₃ на подложках Ca₃Ga₃(NbMg)₂O₁₂ (параметр решетки a=12,422 Å) кристаллографической ориентации (111). Температура роста пленки составляла 750°С. Магнитные параметры пленки: поле эффективной магнитной кристаллографической анизотропии H_k=4520 Э, коэрцитивная сила Н_c=3,1 Э, температура Кюри-Нееля T_N=408 К.

Термомагнитная запись информации в пленке проводилась с помощью полупроводникового лазера, используемая мощность лазерного излучения составляла Р=10 mВт. Качество записанного изображения контролировалось в поляризационном микроскопе. Наблюдалось качественное (высококонтрастное, с ровными контурами) изображение в виде областей круглой формы. Наблюдения за полученным изображением в течение двух месяцев не обнаружили ухудшения его качества.

Пример 6. В качестве объекта использовалась ЭМПФГ Y_0,91Bi_1,92Pt_0,01Ca_0,14Fe_3,6Ga_1,3O₁₂. Пленка была выращена методом жидкофазной эпитаксии из раствора-расплава на основе СаСО₃-Вi₂O₃-V₂O₅ на подложках Ca₃Ga₃(NbLi)₂O₁₂ (параметр решетки a=12,435 Å) кристаллографической ориентации (111). Температура роста пленки составляла 750°С. Магнитные параметры пленки: поле эффективной магнитной кристаллографической анизотропии H_k=4670 Э, коэрцитивная сила Н_c=4,0 Э, температура Кюри-Нееля T_N=400 К.

Термомагнитная запись информации в пленке проводилась с помощью полупроводникового лазера, используемая мощность лазерного излучения составляла Р=10 mВт. Качество записанного изображения контролировалось в поляризационном микроскопе. Наблюдалось качественное (высококонтрастное, с ровными контурами) изображение в виде областей круглой формы. Наблюдения за полученным изображением в течение двух месяцев не обнаружили ухудшения его качества.

Пример 7. В качестве объекта использовалась ЭМПФГ Y_0,65Bi_2,04Pt_0,01Ca_0,3Fe_3,6Ga_1,3O₁₂. Пленка была выращена методом жидкофазной эпитаксии из раствора-расплава на основе CaCO₃-Bi₂O₃-V₂O₅ на подложках (GdCa)₃(GaMgZr)₅O₁₂ (параметр решетки а=12,550 Å) кристаллографической ориентации (111). Температура роста пленки составляла 750°С. Магнитные параметры пленки: поле эффективной магнитной кристаллографической анизотропии H_k=4700 Э, коэрцитивная сила Н_c=10,0 Э, температура Кюри-Нееля T_N=400 К.

Термомагнитная запись информации в пленке проводилась с помощью полупроводникового лазера, используемая мощность лазерного излучения составляла Р=10 mВт. Качество записанного изображения контролировалось в поляризационном микроскопе. Наблюдалось качественное (высококонтрастное, с ровными контурами) изображение в виде областей круглой формы. Наблюдения за полученным изображением в течение двух месяцев не обнаружили ухудшения его качества.

Предложен магнитооптический материал. Он представляет собой эпитаксиальную пленку (YBi)₃(FeGa)₅O₁₂, выращенную на подложке немагнитного граната с высоким значением параметра решетки (например: (GdCa)₃(GaMgZn)₅O₁₂, Са₃(НbLi)Gа₃O₁₂, Ca₃(NbMg)₂Ga₃O₁₂, Ca₃(NbGa)₅O₁₂). При этом эпитаксиальная пленка содержит 0,1-0,4 формульных единицы N_Ca ²⁺. Техническим результатом является повышение контраста записи. 2 ил.

Магнитооптический материал, представляющий собою эпитаксиальную монокристаллическую пленку феррита-граната состава (YBi)₃(FeGa)₅O₁₂, нарощенную на подложке немагнитного граната с высоким значением параметра решетки a=12,380Å-12,560Å (например, (GdCa)₃(GaMgZr)₅O₁₂, Са₃(Nb,Li)₂Ga₃O₁₂, Ca₃(Nb,Mg)₂Ga₃O₁₂, Ca₃(NbMg)₂Ga₃O₁₂ или Ca₃(Nb,Zr)₅O₁₂), отличающийся тем, что эпитаксиальная пленка содержит 0,1-0,4 формульных единиц ионов Са²⁺.