Магнітооптична тонкоплівкова структура, Банк патентів

Використання: винахід відноситься до магнітооптичних структур, що використовуються в системах оптичної обробки інформації, датчиках і перетворювачах магнітних полів. Сутність винаходу: в магнітооптичній структурі, що містить підкладку 1 з монокристалу гадолиний-галлиевого ферит-граната, на яку нанесена плівка 2 з висмутсодержащего галієвого ферит-граната з вектором 3 намагніченості, лежачому в площині плівки щодо перпендикуляра 4 до площини підкладки 1 на кут, що не перевищує величини відхилення до кристалографічної осі [210]6, переважно в межах від 0° до 4 o включно, причому висмутсодержащий ферит-гранат дозований рідкісноземельними елементами, переважно тулієм, гадолі комбінаціями. 3 іл., 3 з.п. ф-ли, 1 табл.

ОПИС ВИНАХОДУ ДО ПАТЕНТУ

Винахід схильний до магнітооптичних структур, призначених для використання в системах оптичної обробки інформації, і може бути використане при створенні датчиків, перетворювачів магнітних полів та інших пристроїв аналогічного призначення.

В даний час широко відомі висмутсодержащие ферит-гранатові матеріали у вигляді тонких або багатошарових плівок, що використовуються для візуалізації та спостереження магнітних полів. Зокрема, епітаксійні висмутсодержащие плівки використовують як спостереження магнітних полів від різних джерел, так обробки інформації в магнитооптических приладах і системах [1,2] . Такі епітаксійні плівки являють собою структури, що вирощуються на монокристалічних діелектричних підкладках гадоліній-галієвого гранату (ГГГ) зазвичай площиннийкристалографічної орієнтації [111], [110] чи [210].

Відомі магнітооптичні плівки зі структурою граната складу (Bi, Y, Tm, Gd) 3 (Fe, Ga) 5O12, що застосовуються в пристрої відображення, оптичних пристроях обробки даних, в елементах пам'яті [3]. Як показано на фіг. 1, така плівка 1, епітаксіально вирощена на підкладці 2 з РРР з орієнтацією [111], має одновісну анізотропію, спрямовану вздовж осі з орієнтацією [111]. Питоме значення фарадіївського обертання в такій плівці, виміряне на довжині хвилі 546,1 нм світла, що проходить, становить близько 3 град/мкм. Така плівка виявляє гістерезис B-H фарадіївського обертання функції доданого поля вздовж осі [111]. Величина поля, потрібна для перемикання плівки між протилежними станами насичення, варіюється в межах 30-400 е.

Плівка, подібна до показаної на фіг. 1, має одновісне напрямок намагніченості, тобто. вектор 3 намагніченості

спрямований перпендикулярно площині плівки. Таким плівкам властива "лабіринтна" доменна структура, схематично представлена на фіг.1. Вона виникає без зовнішнього магнітного поля Hзовніш, перпендикулярного площині плівки, або якщо таке поле невелике.

При додатку до плівки зовнішнього 1 зовнішнього поля Hзовніш достатнього рівня її доменна структура змінюється, приблизно представляючи форму магнітного потоку від відповідного джерела. На цьому явищі заснована візуалізація магнітного поля за допомогою висмутсодержащих ферит-гранатових плівок. Включення вісмуту до складу ферит-гранатової плівки покращує її магнітооптичні властивості.

До недоліків таких плівок слід віднести порівняно низьку роздільну здатність, яка обмежена шириною смугового домену. Ширину смугового домену можна зменшити, збільшуючинамагніченість насичення 4πMs плівки, проте при цьому чутливість такої плівки до Hзовніш сильно зменшується. Можна збільшити намагніченість насичення 4Ms також за рахунок зменшення товщини плівки. Однак пропорційно зменшується фарадіївське обертання вектора поляризації світла, що ускладнює спостереження при візуалізації магнітного поля. В одновісних висмутсодержащих ферит-гранатових плівках досягнуто роздільна здатність не краще, ніж 1,2 мкм для джерел магнітного поля, що мають відношення сигнал/шум в діапазоні 45-50 дБ.

Відомі також магнітооптичні структури з висмутсодержащими ферит-гранатовими плівками, вектор намагніченості

яких спрямований уздовж площини плівки, так званої плівки з "легкою площиною" [4,5]. Вказана структура схематично представлена на фіг.2. Підкладкою 2 для такої плівки 1 зазвичай є монокристалл ГГГ або складно-заміщеного ГГГ з Ca, Mg, Zr або інший монокристалічний діелектричний матеріал з відповідним параметром кристалічної решітки. Орієнтація підкладок для ферит-гранатових плівок з "легкою площиною" намагніченості може бути [111], [210], [100]. Вектор 3 намагніченості

під впливом перпендикулярної компоненти зовнішнього магнітного поля, тобто. H⊥зовніш, відхиляється від площини плівки на деякий кут, що залежить від напруженості H⊥зовніш. Кут фарадіївського обертання вектора поляризації світла пропорційний куту відхилення

від поверхні плівки, тобто. пропорційний H⊥зовніш. .

Головними перевагами плівок з "легкою площиною" є висока роздільна здатність та можливість здійснення глибокої оптичної модуляції, тобто. отримання більш контрастного зображення магнітного поля за його спостереженні. Ця можливість пов'язана з великими значеннями фарадіївськогообертання. Однак для досягнення таких значень необхідне введення в кристалографічні грати плівки більшої кількості іонів вісмуту. У свою чергу збільшення кількості іонів вісмуту збільшує анізотропію поля HА ферит-гранатової плівки і, отже, збільшує необхідне значення поля H⊥зовніш для отримання того ж кута обертання вектора

Іншими словами, чутливість плівки зменшується. Більш того, при введенні іонів вісмуту до складу плівки вище за певну кількість вона стає одновісною.

Завданням винаходу є створення магнітооптичної структури, переважно як датчик магнітних полів, що долає недоліки аналогічних структур, відомих з попереднього рівня техніки. Досяганим при цьому технічним результатом є підвищення роздільної здатності та чутливості, забезпечення високого значення фарадіївського обертання поляризованого світла та високої швидкодії при застосуванні зовнішнього імпульсного магнітного поля.

Вказаний результат досягається тим, що в магнітооптичній тонкоплівковій структурі, що містить підкладку з діелектричного матеріалу зі структурою граната, на яку нанесена плівка магнітного матеріалу з вектором намагніченості, що лежить в площині плівки, причому в якості магнітного матеріалу плівки обраний висмутсодержащий галієвий фер- , що підкладка виконана з монокристалу гадолиний-галієвого гранату, кристалографічна вісь [100] якого зміщена щодо перпендикуляра до площини підкладки і відповідно площині плівки з висмутсодержащего ферит-граната на кут А, не перевищує величини відхилення до напрямку кристалографічної осі [21 ферит-гранат допований рідкісноземельними елементами.

При цьому кут А між кристалографічної віссю [100] монокристалічної підкладки і перпендикуляром до площини підкладки з плівкою з висмутвмісного ферит-граната, що відраховується в напрямку до кристалографічної осі [210] монокристалу підкладки, переважно обраний в межах 6 o O .

Крім того, в якості допирующих рідкісноземельних елементів можуть бути обрані елементи групи, що складається з тулію, лютеція, гадолінію окремо і їх комбінацій.

І нарешті, магнітний матеріал плівки переважно містить від 0,8 до 0,85 іонів вісмуту та від 1,1 до 1,15 іонів галію на одну формульну одиницю кристалічної структури згаданого матеріалу.

Винахід пояснюється кресленнями, на яких представлено таке: Фіг. 1 - ілюстрація вищезгаданої "лабіринтної" доменної структури в магнітооптичній тонкоплівковій структурі з вектором намагніченості, перпендикулярним площині плівки з магнітного матеріалу; фіг. 2 - схематичне уявлення відомої тонкопленочной магнітооптичної структури з вектором намагніченості, що лежить в площині плівки з магнітного матеріалу; фіг. 3 - схематичне представлення магнітооптичної тонкоплівкової структури, що відповідає винаходу, що ілюструє орієнтацію кристалографічних осей.

Відповідні винаходу ознаки орієнтації підкладки та складу нанесеного на неї шару - плівки магнітного матеріалу - забезпечують оптимальні параметри для поля анізотропії HА, намагніченості насичення 4πMs, коефіцієнта фарадіївського обертання ΘF і фактора магнітної добротності Q = 2HA/ . В результаті проведених заявником досліджень та експериментів з вивчення впливу зміни орієнтації підкладки на полі анізотропії HА начутливість ΘF/H⊥зовніш було виявлено, що згадана орієнтація підкладки, представлена на фіг.3, характеризується кутом A між перпендикуляром 4 до площини підкладки 1 з нанесеною плівкою 2 і кристалографічної віссю [100] 5 в межах до 4 , при переході кристалографічної осі [210] 6 дає найкращі результати в аспекті чутливості F/H⊥зовніш. При збільшенні кута А орієнтації підкладки 1 від 0 o до 4 o включно поле анізотропії HА поступово зменшується, чутливість ΘF/H⊥зовніш різко зростає. При подальшому відхиленні орієнтації підкладки, що перевищує 4 o верхній шар ферит-гранатової плівки змінює напрямок намагніченості на перпендикулярне до площини плівки. Зокрема, при величині відхилення від орієнтації [100], що дорівнює 6 o вся епітаксійна монокристалічна плівка по всій товщині стає одноосно намагніченою і з'являється "лабіринтна" доменна структура (фіг. 1), як у звичайних плівках ферит-граната з орієнтацією [11] .

Кут орієнтації вектора 3 намагніченості

плівки 2 від перпендикулярного напрямку до положення плівки в площині 2, тобто. від орієнтації вектора 3 намагніченості

показаної на фіг. 1, до його орієнтації, показаної на фіг. 2, також залежить від кількості іонів вісмуту та галію у складі монокристалічного шару та від умов зростання плівки та методів вирощування або нанесення. При вмісті галію менше 1,1 іона на одну формульну одиницю монокристалічної структури намагніченість насичення стає великою (4πMs 200 Гс). У цьому випадку у плівок магнітна добротність Q зменшується ( Q -фактор o до 6 o і далі була взята підкладка з орієнтацією [210].

Швидкість обертання підкладки 120 об/хв.

Товщина плівок 3 мкм.

Плівкивищевказаного складу мали оптимальні параметри: при H⊥зовніш = 20 Е чутливість дорівнює 0,55 кут. o /мкм; при H⊥зовніш = 100 Е чутливість дорівнює 0,65 кут. o /мкм.

У таблиці наведено параметри плівок вищезгаданого складу, вирощених на підкладках з різними кутами відхилення орієнтації від площини, що визначається кристалографічної віссю [100].

Результати наведені в таблиці показують, що положення вектора намагніченості

вздовж площини плівки зберігається до значення кута відхилення перпендикуляра до площини підкладки щодо кристалографічної осі [100] , рівного 4 o включно. При значенні цього кута, рівного 6 o з'являється субшар, що починається від відкритої поверхні плівки, який має вектор намагніченості

перпендикулярні площині плівки. При подальшому збільшенні цього кута та переході до осі [210] плівка по всій товщині має вектор

перпендикулярні площині плівки.

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

2. Tolksdorf W., Thin Sol & gt;

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

4. Гусєв М.Ю., Листи до ЖТФ. Том 14, N. 18, стор.1659-1662, 1988.

5. T. Mizuluoto та ін. IEEE Transactions on Magnetics. Vol. 29, N. 6, Листопад 1993, pp.3417-3419.

ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

1. Магнітооптична тонкоплівкова структура, що містить підкладку з діелектричного матеріалу зі структурою граната, на яку нанесена плівка магнітного матеріалу з вектором намагніченості, що лежить в площині плівки, причому в якості магнітного матеріалу плівки обраний висмутсодержащий галієвий ферит-гранат, що відрізняєтьсявиконана з монокристалу гадолиний-галієвого граната, кристалографічна вісь [100] якого зміщена щодо перепендикуляра до площини підкладки з боку згаданої плівки магнітного матеріалу на кут A, не перевищує величини відхилення до кристалографічної осі [210], при цьому висмутсодержащий галлі елементами.

2. Структура за п.1, який відрізняється тим, що кут A між кристалографічної віссю [100] монокристалічної підкладки і перпендикуляром до площини підкладки, що відраховується від згаданого перпендикуляра у напрямку до кристалографічної осі [210] монокристалу підкладки>0, обраний в межах o o .

3. Структура по п.1 або 2, яка відрізняється тим, що в якості допирующих рідкісноземельних елементів обрані елементи з групи, що складається з тулію, лютеція, гадолінію окремо та їх комбінацій.

4. Структура по п.1, або 2, або 3, яка відрізняється тим, що магнітний матеріал плівки містить від 0,8 до 0,85 іонів вісмуту та від 1,1 до 1,15 іонів галію на одну формальну одиницю кристалічної структури згаданого матеріалу.