Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
МАГНИТООПТИЧЕСКАЯ ТОНКОПЛЕНОЧНАЯ СТРУКТУРА
МАГНИТООПТИЧЕСКАЯ ТОНКОПЛЕНОЧНАЯ СТРУКТУРА

МАГНИТООПТИЧЕСКАЯ ТОНКОПЛЕНОЧНАЯ СТРУКТУРА

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: 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 4o включительно, причем висмутсодержащий феррит-гранат дозирован редкоземельными элементами, предпочтительно туллием, гадолинием, лютецием или их комбинациями. 3 ил., 3 з.п. ф-лы, 1 табл.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2138069
Класс(ы) патента: G02F1/09
Номер заявки: 96107470/28
Дата подачи заявки: 23.04.1996
Дата публикации: 20.09.1999
Заявитель(и): Гарнетек Лтд. (Garnetec Ltd.) (IE)
Автор(ы): Ильяшенко Е.И.; Клин В.П.; Соловьев А.Г.
Патентообладатель(и): Гарнетек Лтд. (Garnetec Ltd.) (IE)
Описание изобретения: 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 Hвнеш, перпендикулярного плоскости пленки, или если такое поле невелико.
При приложении к пленке 1 внешнего поля Hвнеш 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 4πMs пленки, однако при этом чувствительность такой пленки к Hвнеш сильно уменьшается. Можно увеличить намагниченность насыщения 4πMs 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 HА 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 ≅4o.
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 HА, намагниченности насыщения 4πMs, , коэффициента фарадеевского вращения ΘF и фактора магнитной добротности Q = 2HA/4πMs при сохранении минимальных значений для HА и 4πMs.
В результате проведенных заявителем исследований и экспериментов по изучению влияния изменения ориентации подложки на поле анизотропии HА на чувствительность ΘF/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 ΘF/H⊥внеш. При увеличении угла А ориентации подложки 1 от 0o до 4o включительно поле анизотропии HА постепенно уменьшается, в чувствительность ΘF/H⊥внеш резко возрастает. При дальнейшем отклонении ориентации подложки, превышающем 4o, верхний слой феррит-гранатовой пленки изменяет направление намагниченности на перпендикулярное к плоскости пленки. В частности, при величине отклонения от ориентации [100], равной 6o 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 ( 4πMs > 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 ( 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 HА и 4πMs. Пленки при содержании висмута менее 0,8 иона на одну формульную единицу имеют малые значения ΘF. . 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 aF решетки пленки становится больше, чем параметр as 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 ΘF/α, где α - -оптическое поглощение.
Пример конкретного выполнения
В соответствии с изобретением изготавливалась магнитооптическая структура, содержащая подложку, на которой выращивались тонкие эпитаксиальные пленки состава
RE3,0 - 0,81 Bi0,81 Fe3,85 Ga1,15 O12,0,
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 0o до 6o, 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 720oC.
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 4o включительно. При значении этого угла, равного 6o , 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.
Формула изобретения: 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
0o < A ≅ 4o.
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.