МАГНИТООПТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 2014 года по МПК C30B29/28 C30B19/12 H01F10/24 H01F10/28 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: K - коэффициент теплопроводности среды;

ΔТ=T_H-Т₀ (T_H - температура нагрева материала, Т₀ - 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 K, высоким коэффициентом оптического поглощения α, малой толщиной t и для записи информации требовал малого значения ΔТ. Лучше этим требованиям по сравнению с пластинками YFeO₃ удовлетворяют магнитные диэлектрические пленки.

Еще одним термомагнитооптическим материалом служат высококоорцитивные 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 дислокации несовпадения, служащей потенциальным рельефом для движущейся доменной пленки (см. Индуцированная коэрцитивность в монокристаллах ортоферритов и эпитаксиальных пленках гранатов / А.М. 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 дислокации 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.

Близким 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, Ca₃(NbLi)₂Ga₃O₁₂, Ca₃(NbMg)₂Ga₃O₁₂ или Ca₃(NbZr)₂Ga₃O₁₂ (см. Рандошкин В.В., Червоненкис А.Я. Прикладная магнитооптика. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 320 с.). Недостаток данного материала - низкое значение коэрцитивной силы Н_с, что делает его непригодным для термомагнитооптической записи.

Наиболее близким (прототипом) к предлагаемому материалу является магнитооптическая среда, представляющая собою эпитаксиальную монокристаллическую пленку феррита-граната (YBi)₃(FeGa)₅O₁₂ (пленка нарощена на подложке немагнитного граната с высоким значением параметра решетки, например, (GdCa)₃(GaMgZr)₅O₁₂, Ca₃(NbLi)₂Ga₃O₁₂, Ca₃(NbMg)₂Ga₃O₁₂ или Ca₃(NbZr)₂Ga₃O₁₂)) с содержанием 0,1-0,4 форм. ед. ионов Са²⁺ (см. Костишин В.Г., Кожитов Л.В., Медведь В.В. и др. Магнитооптический материал. Патент РФ №2431205). Однако, и данный материал не лишен недостатков. В частности, из-за большого значения ионного радиуса иона Ca²⁺ (r=1,12 Å) в материал уменьшается вхождение ионов Bi³⁺ (и ионы Ca²⁺, и ионы Bi³⁺ входят в додекаэдрическую подрешетку граната), что понижает магнитооптическую добротность материала. При введении же необходимого количества кальция и висмута (в максимальном количестве) пленки часто оказываются в напряженном состоянии, что ухудшает их эксплуатационные параметры, в частности, приводит к росту оптического поглощения и уменьшает магнитооптическую добротность.

Технический результат - повышение магнитооптической добротности материала при сохранении его существующих достоинств.

Технический результат достигается тем, что в процессе выращивания в раствор-расплав добавляется определенное количество оксида магния MgO марки ОСЧ. В результате получаются пленки, легированные ионами Mg²⁺ ((YBi)₃(FeGa)₅O₁₂:Mg²⁺). Последние обладают теми же достоинствами, что и пленки (YBi)₃(FeGa)₅O₁₂:Ca²⁺ (ионы Mg²⁺ аналогично ионам Са²⁺ приводят к интенсивному росту коэрцитивной силы H_c), но за счет меньшего ионного радиуса ионов Mg²⁺ (r=0,74 Å), входящих в октаэдрическую подрешетку, появляется возможность ввести большее количество ионов Bi³⁺ и таким образом повысить магнитооптическую добротность материала.

Сущность изобретения состоит в следующем. Ионы магния, обладая меньшим значением ионного радиуса по сравнению с ионами кальция, входят в октаэдрическую подрешетку пленки. Кроме того, за счет меньшего значения ионного радиуса ионы магния (по сравнению с ионами кальция) дают меньший вклад в значение параметра решетки пленки. Последний факт, а также тот факт, что при использовании ионов магния большая часть додекаэдрических узлов оказывается свободной, позволяет получить пленки (YBi)₃(FeGa)₅O₁₂ с более высокой концентрацией ионов висмута. А поскольку, в основном, именно ионы висмута в указанных материалах ответственны за фарадеевское вращение, то пленки (YBi)₃(FeGa)₅O₁₂: Mg²⁺ будут обладать более высокой магнитооптической добротностью по сравнению с пленками (YBi)₃(FeGa)₅O₁₂: Са²⁺. Что касается механизма индуцирования высококоэрцитивного состояния, то при использовании ионов магния он - такой же, как и при использовании ионов кальция.

Известно, что ионы двухвалентной примеси 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)₅O₁₂ 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 $$V_{O2-}^0$$ (F-центр). Нейтральные кислородные вакансии (F-центры) объединяются в кластеры, «тормозящие» движение доменной стенки, что приводит к росту коэрцитивной силы H_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 Mg²⁺.

Пределы содержания ионов Mg²⁺ (0,1-0,4) форм. ед. выбраны из следующих соображений. При N_Mg2+<0,1 ф.е пленки обладают недостаточной величиной Н_с и не годятся для термомагнитной записи. При N_Mg2+>0,4 ф.е начинает существенно ухудшаться качество пленок.

Магнитооптическая добротность определяется из выражения:

$$\Psi =\frac{{\theta }_F}{\alpha }$$ ,

где θ_F - удельное фарадеевское вращение;

α - оптическое поглощение;

В таблицах 1-2 представлены результаты зависимости магнитооптической добротности при λ=0,8 и 1,3 мкм ЭМПФГ (YBi)₃(FeGa)₅O₁₂: Mg²⁺ выращенных на подложке немагнитного граната с высоким значением параметра решетки a=12,380Å-12,560Å от концентрации ионов Mg²⁺. Представленные результаты приведены в сравнении с зависимостью магнитооптической добротности от концентрации ионов Са²⁺ прототипа.

Как видно из таблиц 1 и 2, наилучшие результаты магнитооптической добротности получаются при легировании ЭМПФГ (YBi)₃(FeGa)₅O₁₂ ионами Mg²⁺.

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 H_c ЭМПФГ (YBi)₃(FeGa)₅O₁₂: Mg²⁺, выращенных на подложках (GdCa)₃(GaMgZr)₅O₁₂ (параметр решетки a=12,490 Å) кристаллографической ориентации (111) от концентрации ионов Mg²⁺. С ростом концентрации магния от 0,1 форм. ед. до 0,4 форм. ед., значение H_c пленок интенсивно растет и при максимальной концентрации ионов Mg²⁺ может равняться 15,3 Э и более.

На Фиг.2 и 3 представлены зависимости магнитооптической добротности Ψ ЭМПФГ (YBi)₃(FeGa)₅O₁₂: Mg²⁺, выращенных на подложках (GdCa)₃(GaMgZr)₅O₁₂ (параметр решетки а=12,490 Å) кристаллографической ориентации (111) от концентрации ионов Mg²⁺. С ростом концентрации магния от 0,1 форм. ед. до 0,4 форм. ед., значение ψ пленок интенсивно растет и при максимальной концентрации ионов Mg²⁺ может равняться 60 град/дБ при λ=0,8 мкм (Фиг.2) и Ψ=380 град/дБ при λ=1,3 мкм (Фиг.3).

Пример 1. В качестве объекта использовалась ЭМПФГ (YBi)₃(FeGa)₅O₁₂: Mg²⁺ (N_Mg2+=0,1 форм. ед.). Пленка была выращена методом жидкофазной эпитаксии из раствора-расплава на основе PbO-Bi₂O₃-B₂O₃ на подложке (GdCa)₃(GaMgZr)₅O₁₂ (параметр решетки а=12,380 Å) кристаллографической ориентации (111). Температура роста пленки составляла 750°C. Магнитные параметры пленки: поле эффективной магнитной кристаллографической анизотропии H_k=4520 Э, коэрцитивная сила H_c=3,1 Э, температура Кюри-Нееля T_N=408 K, магнитооптическая добротность Ψ=56 град/дБ при λ=0,8 мкм, Ψ=350 град/дБ при λ=1,3 мкм.

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 (YBi)₃(FeGa)₅O₁₂: Mg²⁺ (N_Mg2+=0,2 форм. ед.). Пленка была выращена методом жидкофазной эпитаксии из раствора-расплава на основе PbO-Bi₂O₃-B₂O₃ на подложке (GdCa)₃(GaMgZr)₅O₁₂ (параметр решетки а=12,490 Å) кристаллографической ориентации (111). Температура роста пленки составляла 755°C. Магнитные параметры пленки: поле эффективной магнитной кристаллографической анизотропии H_k=4570 Э, коэрцитивная сила H_c=6,8 Э, температура Кюри-Нееля T_N=407 K, магнитооптическая добротность Ψ=57,5 град/дБ при λ=0,8 мкм, Ψ=360,1 град/дБ при λ=1,3 мкм.

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 3. В качестве объекта использовалась ЭМПФГ (YBi)₃(FeGa)₅O₁₂: Mg²⁺ (N_Mg2+=0,3 форм. ед.). Пленка была выращена методом жидкофазной эпитаксии из раствора-расплава на основе PbO-Bi₂O₃-B₂O₃ на подложке (GdCa)₃(GaMgZr)₅O₁₂ (параметр решетки а=12,550 Å) кристаллографической ориентации (111). Температура роста пленки составляла 750°C. Магнитные параметры пленки: поле эффективной магнитной кристаллографической анизотропии H_k=4700 Э, коэрцитивная сила H_c=10,0 Э, температура Кюри-Нееля T_N=402 K, магнитооптическая добротность ψ=59 град/дБ при λ=0,8 мкм, ψ=370 град/дБ при λ=1,3 мкм.

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 8,25 мкм. Наблюдения за полученным изображением в течение двух месяцев не обнаружили ухудшения его качества.

Пример 4. В качестве объекта использовалась ЭМПФГ (YBi)₃(FeGa)₅O₁₂: Mg²⁺ (N_Mg2+=0,4 форм. ед.). Пленка была выращена методом жидкофазной эпитаксии из раствора-расплава на основе PbO-Bi₂O₃-B₂O₃ на подложке (GdCa)₃(GaMgZr)₅O₁₂ (параметр решетки а=12,560 Å) кристаллографической ориентации (111). Температура роста пленки составляла 745°C. Магнитные параметры пленки: поле эффективной магнитной кристаллографической анизотропии H_k=4675 Э, коэрцитивная сила H_c=15,3 Э, температура Кюри-Нееля T_N=400 K, магнитооптическая добротность Ψ=60 град/дБ при λ=0,8 мкм, Ψ=380 град/дБ при λ=1,3 мкм.

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 7,75 мкм. Наблюдения за полученным изображением в течение двух месяцев не обнаружили ухудшения его качества.

Изобретение относится к области магнитной микроэлектроники, в частности к прикладной магнитооптике, и может быть использовано для записи информации как в цифровом, так и в аналоговом режимах. Магнитооптический материал представляет собой эпитаксиальную монокристаллическую пленку феррита-граната состава (YBi)₃(FeGa)₅O₁₂, нарощенную на подложке немагнитного граната с высоким значением параметра решетки $$a=\mathrm{12,380}\stackrel{{}_o^{/}}{A}-\mathrm{12,560}\stackrel{{}_o^{/}}{A}$$ , при этом эпитаксиальная пленка содержит 0,1-0,4 формульных единиц ионов Mg²⁺. Подложка немагнитного граната может быть выполнена из (GdCa)₃(GaMgZr)₅O₁₂, или Ca₃(NbLi)₂Ga₃O₁₂, или Ca₃(NbMg)₂Ga₃O₁₂, или Ca₃(NbZr)₂Ga₃O₁₂. Предложенный материал имеет магнитооптическую добротность 56-60 град/дБ при λ=0,8 мкм, 350-380 град/дБ при λ=1,3 мкм, коэрцитивную силу порядка 2,5-15,3 Э и позволяет получать методом термомагнитной записи высококонтрастные изображения. 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 3 ил., 4 пр.

1. Магнитооптический материал, представляющий собою эпитаксиальную монокристаллическую пленку феррита-граната состава (YBi)₃(FeGa)₅O₁₂, нарощенную на подложке немагнитного граната с высоким значением параметра решетки , отличающийся тем, что эпитаксиальная пленка содержит 0,1-0,4 формульных единиц ионов Mg²⁺.

2. Материал по п.1, отличающийся тем, что подложка немагнитного граната выполнена из (GdCa)₃(GaMgZr)₅O₁₂, или Ca₃(NbLi)₂Ga₃O₁₂, или Ca₃(NbMg)₂Ga₃O₁₂, или Ca₃(Nb Zr)₂Ga₃O₁₂.