DE2118264C3

DE2118264C3 - Magnetische Schaltung

Info

Publication number: DE2118264C3
Application number: DE2118264A
Authority: DE
Inventors: Andrew Henry Bobeck; Paul Herman Schmidt; Eduard Guerrant Murray Hill Spencer
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1970-04-20
Filing date: 1971-04-15
Publication date: 1973-11-08
Also published as: CH574881A5; SE376105B; GB1347496A; FR2089884A5; BE765853A; DE2118264A1; NL7105226A; US3613056A; CA943753A; DE2118264B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine magnetische .■haltung mit einem Körper aus ferrimagnetischem laterial, das einachsig magnetisch anisotrop ist und ikale eingeschlossene Bereiche mit einer derjenigen :s Umgebungsmaterials entgegengesetzten magneschen Polarisation aufweist, und einer Einrichtung im Einstellen der entgegengesetzt polarisierten, ikalen eingeschlossenen Bereiche. Insbesondere beißt sich die Erfindung mit einer Schaltung, die einandiiie Domänen zu übertragen vermag. Als einwandige Domäne soll hier ein gegenüber der Um gebungsmagnetisierung umgekehrt polarisierter magnetischer Bezirk verstanden sein, der durch eine einzige in sich geschlossene Domänenwand begrenzt ist. Einwandige Domänen aufweisende Schaltungen können eine Vielzahl von Funktionen erfüllen, so z. B. Schalt-, Speicher- und Logik-Funktionen.

In den letzten Jahren zeichnete sich ein deutliches Interesse an der Entwicklung in einer Gruppe von

ίο magnetischen Einrichtungen ab, die allgemein als einwandige Domänen aufweisende Schaltungen bekannt sind. Solche Schaltungen, die z. B. in IEEE Transactions Mag. 5 (1969). S. 544 bis 553, beschrieben sind, haben eine allgemein planare Ausbildung und

bestehen aus Stoffen, welche im wesentlichen senkrecht zur Ebene des Körpers stehende Richtungen leichter Magnetisierung aufweisen. Magnetische Eigenschaften. /. B. Magnetisierung. Anisotropie. Koerzitivkraft und Beweglichkeit sind so gewählt, daß die Schaltung mit einer Magnetisierung in einer Richtung aus der Ebene heraus magnetisch gesättigt gehalten wird und daß kleine eingeschlossene Polarisationsbereiche, die zur allgemeinen Polarisationsrichtung entgegengesetzt ausgerichtet sind, übertragen werden können. Solche eingeschlossenen Bereiche, welche eine allgemein zylindrische Konfiguration besitzen, stellen Speicher-Bits dar. Das Interesse an Schaltungen bzw. Bauelementen dieser Art basiert zum großen Teil auf der hohen Bit-Dichte. Man rechnet mit Bit-Dichten bis zu 1.55 · 10' Bit·:, oder mehr pro Quadrat/entimeter des Plättchens. Bit-Dichten sind ihrerseits abhängig von der Fähigkeit des Materials, eingegrenzte Bereiche genügend kleiner Abmessungen zu übertragen.

Bei einer besonderen Ausführungsform, die beispielsweise einen 10⁶-Bit-Speicher darstellt, kommen einwandige Domänen in der Größenordnung von 8-10 'cm Durchmesser in Betracht. Ein 10⁵-Bit-Speicher kann auf dreifach größeren stabilen Domänen basieren, und ein 10⁷-Bit-Speicher erfordert stabile einwandige Domänen, deren Durchmesser ein Drittel desjenigen beim 10^e-Bit-Speicher ist.

Bis heute bildete die Materialbeschränkung eines der bedeutenderen Hindernisse an einer kommerziellen Realisierung solcher Schaltungen bzw. Bauelemente.

Das erste Problem war mehr praktischer, herstellungstechnischer Art, nämlich die Züchtung ausreichend großer Kristalle, die ausreichend fehlerfrei sind, physikalische und chemische Stabilität zeigen usw. Ein ebenso maßgebliches Problem gehört eher in den Grundlagenbereich. Materialien mit der erforderlichen einachsigen Anisotropie waren allgemein in gewisser Hinsicht nicht zufriedenstellend. So basierten beispielsweise bekannte ausgeführte Schaltungen allgemein auf Orthoferriter. der Seltenen Erden. Obwohl es sehr wahrscheinlich ist. daß Orthoferrit-Bauelemente bzw. Schaltungen mit einwandigen Domänen kommerziell verwertet werden, stellen gebräuchliche Orthoferrit-Zusammensetzungen ein Hindernis für die Entwicklung von Ausführungsformen mit hohen Bit-Dichten dar.

Allgemein haben Orthoferrite derartige magnetische Eigenschaften, daß sie die Übertragung von einwandigen Domänen,'die kleiner als etwa 5 · 10-³cm im Durchmesser sind, schwierig machen. Bei üblichen Ausführungen hat dies eine maximale Bit-Dichte in der Größenordnung von 1,55 · 10⁴ Bits pro Quadratzentimeter zur Folge.

Versuche, die Größe stabiler Domänen bei üblichen

Betriebstemperaturen zu verringern, haben neue welche einachsige magnetische Anisotropie erfordern.

Probleme aufgeworfen; so verringert ein Betrieb in Jedoch haben die Eigenschaften von Granat unter-

der Nähe der magnetischen Reorientierungstemperatur suchende Wissenschaftler Bereiche magnetischer An-

zwar die Größe der einwandigen Domänen, führt isotropie beobachtet. Allgemein wurde solcher An-

jedoch zu hoher Magnetostriktion, wodurch sowohl 5 isotropie wenig Beachtung geschenkt, und Literatur-

die Herstellung als auch der Betrieb kompliziert hinweise führten in der Regel zu diesem Problem einen

werden. Ein Betrieb in der Nähe der Reorientierungs- Druckspannungsmechanismus an. Bei einigen Ge-

temperatur bringt außerdem eine hohe Temperatur- legenheiten wurde die Anisotropie einer beispielsweise

abhängigkeit der Domänen-Größe mit sich, was rine durch Schleifen un.l oder Polieren hervorgerufenen

genaue Temperatursteuerung bei Schaltungen bzw. io Oberflächenspannung zugeordnet.

Bauelementen erfordert, welche derartige Zusammen- Die sich aus den Unzulänglichkeiten der Ortho-

setzungen verwenden. Außerdem weisen die Ma- ferrite und der hexagonalen Ferrite ergebenden Hinder-

terialien trotz der schuerpu iktartigen Entwicklung nisse bzw. Beschränkungen gaben Anlaß zum Studium

von Züchtungsmethoden für Orthoferrite bisher keine der magnetischen Granate zur Verwendung in magne-

ausreichende kristalline Perfektion auf. um eine wirt- 15 tischen Schaltungen bzw. Bauelementen. Zur Er-

schaftliche Herstellung zu ermöglichen, zeugung der benötigten einachsigen magnetischen

Eine zweite Materialgruppe, die zur Verwendung Aniiotropie wurden für diese Studien ausgewählte

in Schaltungen der eingangs genannten Art emige Granatproben absichtlich .-ner Beanspruchung bzw.

Beachtung gefunden hat. ist die d^r he-.agonalen Deformation unterzogen. Wählend viele der magne-

Ferritefz. B. der Magnetoplumbite). Die magnetischen 20 tischen Eigenschaften befriedigend erscheinen, wird

Eigenschaften dieser Materialien sind so. daß sie sehr die hohe Abhängigkeit von der Spannung von Schwie-

kleine einwandige Domänen zu führen erlauben. Tat- rigkeiten sowohl bei der Herstellung als auch beim

sächlich liegt das Problem bei diesen Materialien Betrieb begleitet. Die Benutzung von gespannten b?w.

gerade umgekehrt demjenigen bei Orthoferrites und belasteten Materialien ist häufig durch eine Ungleich-

Modifizierungen der Zusammensetzung waren häufia 25 förmigkeit der induzierten Anisotropie, eine hohe

darauf abgestellt, die Domänengröße zu erhöhen statt Koerzitivkraft und auch durch Änderung solcher

zu verringern. Eigenschaften mit der Zeit beschränkt.

Derzeit werden Magnetoplumbite nicht ah sehr Die oben aufgeführten Probleme werden bei einer

erfolgversprechende Materialien zur Übertragung magnetischen Einrichtung der eingangs genannten

magnetischer Domänen angesehen, und zwar vor 30 Art erfindungsgemäß dadurch überwunden, daß das

allem wegen einer ihnen anhaftenden anderen Be- Material Granatstruktur hat, daß die dodekaedrischen

schränkung, nämlich der geringen Beweglichkeit. Plätze im Material von wenigstens zwei verschiedenen

Dieser Ausdruck bezieht sich auf die Geschwindigkeit. Ionen besetzt sind, von denen jedes in einer Menge

mit welcher eine einwandige Domäne bei einem vor- von wenigstens 10 Atomprozent auf der Basis der

gegebenen Feld im Inneren des Materials bewegt 35 Gesamtzahl der diese dodekaedrisc!;:n Plätze be-

werden kann. Da die Durchführung der verschiedenen setzenden Ionen vorliegt, daß diese Ionen aus der aus

Funktionen bei den meisten Schaltungen von der Y³\ Lu³", La³" und den dreiwertigen Ionen der

Domänenbewegung abhängig ist, wird eine geringe lauthanidischen Seltenen Erden bestehenden Gruppe

Beweglichkeit als wesentliche Beschränkung angesehen. ausgewählt sind und daß der Körper ein Plättchen

Es wurden einige Versuche unternommen, die Be- 40 ist, (Jessen größere Ebene im wesentlichen eine kristallo-

weglichkeit in hexagonalen Ferriien zu verbessern, und grafische 111/-Ebene definie-t und das aus einem

einige dieser Versuche führten auch bis zu einem re- kristallinen Teil ausgewählt ist. der als ganzer in der

wissen Grad zum Erfolg. Da es möglich ist. daß sich Weise gezüchtet wurde, daß sich nur {211 }-Kristall-

solche Materialien mit geeigneten Eigenschaften her- flächen ergeben,

ausbilden, wird die Suche nach Materialgruppen fort- 45 In der Zeichnung zeigt

gesetzt, die die obtngenannien Beschränkungen nicht F i g. 1 ein schematisches Diagramm eines Umlaufaufweisen. Speichers gemäß der Erfindung,

Im Verlauf der letzten zehn Jahre hat sich ein F i g. 2 eine detaillierte magnetische Belegungs-

belrächtliches Interesse für eine dritte Gruppe von konfiguration für Teile des in Fi g. 1 gezeigten

magnetischen Materialien gezeigt. Diese Materia- 50 Speichers, wobei sich beim Betrieb einstellende

lien, die das erste Mal 1956 (vgl. Compte Rendue, Domänenstellungen gezeigt sind,

Bd. 242, S. 332) angegeben wurden, sind isolierende F i g. 3 eine perspektiviscne Ansicht auf einen

Ferrimagnete der Granatstruktur. Die bekannteste Granatkristall, durch den Schnitte nach dem Typ I

Zusammensetzung ist Yttriumeisengranat, Y₃Fe₅O₁₂, gelegt worden sind, und

das der Einfachheit halber häufig als YIG bezeichnet 55 F i g. 4 eine perspektivische Ansicht eines Granatwird. Es gibt viele Zusammensetzungsvariationen; kristalls, durch den Schnitte nach dem Typ Il gelegt zu diesen gehört eine vollständige oder teilweise Sub- worden sind.

stitution des Yttriums durch verschiedene der Seltenen Erfindungsgemäß werden Kristalle einer Klasse Erden, eine teilweise Substitution des Eisens durch bzw. Gruppe aus Granatzusammensetzungen so geAluminium oder Gallium und andere. Die Wachs- 6o schnitten, oaß die sich ergebenden Plättchen eine im tumsverhalten dieser Materialien sind bekannt, und wesentlichen gleichmäßige einachsige magnetische Anes gibt viele Methoden zum Herstellen großer Kristalle isotropie zeigen, die allgemein normal zur Plättchenhoher Perfektion. fläche steht. Wenn auch in bezug auf die genauere

Röntgenstrahluntersuchungen und Betrachtungen Beschreibung der vollständigen Auswahlregeln und

der Grundstruktur liaben stets gezeigt, daß die magne- 65 anderer dieses Ergebnis erbringender Parameter aut

tischen Granate magnetisch isotrop sind. Unter diesem die Detailbeschreibung verwiesen werden muß, kann

Aspekt erbrachten Granate nicht die natürlichen Vor- das Grundkonzept der Erfindung wie folgt zusammen-

aussetzungen für domänenaufweisende Schaltungen, gefaßt werden.

einheit an den tetraedrischen Plätzen (die restlichen beiden Eisenionen sind an den oktaedrischen Plätzen) entsteht. Bei dieser Prototyp-Verbindung besetzt Yttrium einen dodekaedrischen Platz, und die erste erfindungsgemäße Zusammensetzungsbedingung betrifft die Art der Ionen, die das Yttrium an den dodekaedrischen Plätzen teilweise oder völlig ersetzen sollen.

Die grundlegende Forderung bzw. Bedingung für ίο die Herstellung eines Plättchens mit im wesentlichen homogener einachsiger und im wesentlichen normal zur Oberfläche stehender Anisotropie besteht darin, daß der dodekaedrische Platz von wenigstens zwei verschiedenen Ionen besetzt ist. Für die Zwecke der

Es wurde ferner^gefundenr daß eine brauchbar 15 Erfindung muß jedes dieser Ionen, die im folgenden Schnittrichtung auf die Kristall-Wachstumsrichtung als A-lonen und B-Ionen bezeichnet werden, in einer

- - - - - - - ■ Menge von wenigstens 10 Atomprozent auf der Basis

der Gesamtzahl der diese dodekaedrischen Plätze besetzenden Ionen vorliegen. Zu den Ionen, welche

bildet' (obwohl es eine besondere Bedingung gibt, ao diese Plätze in einer Menge von wenigstens 10°/„ unter der ein Abschnitt mit drei Kristallflächen sinn- besetzen können, gehören Y³⁺, Lu³⁺, La³⁺ und die

dreiwertigen Ionen einer der 4f Seltenen Erden wie auch Ionen anderer Valenzstufen, z. B. Ca²⁺. Solche Ionen werden manchmal zur Ladungskompensation

heitlicher Wachstumsrichtang bezieht, sind für den as eingei.ihrt, z.B. dort, wo Ionen anderer Valenz-Zweck der vorliegenden Erfindung in erster Linie stufen bzw. -zustände als 3+ teilweise an die Stelle diejenigen Segmente bzw. Abschnitte von Interesse, von Eisen treten. Zusammensetzungen, die alle derwelche {211}-Kristallflächen ergeben. artige Ionen enthalten, wurden eingehend untersucht

Es gibt z*wci zweckmäßige Schnittrichtungen bei »nd sind beispielsweise aus Handbook of Microwave diesen bevorzugten Abschnittsklassen, von denen 30 Ferrite Materials, von Wilhelm H. von A u 1 ο c k, jede auf eine besondere <111>-Achse bezogen ist. Die Academic Press, New York (1965), bekannt,
erste zu erörternde Achse ist diejenige, welche am Eine weitere Bedingung bezieht sich auf die Größe

nächsten zur Normalen zur freien {211 }-Kristallfläche und Art des magnetostriktiven Beitrags der A- und und den hierzu parallelen Kristallebenen liegt. Für B-Ionen in den <lll>Kristallrichtungen. Der eindie Zwecke der vorliegenden Erfindung werden die 35 fachste Fall betrifft A- und B-Ionen, welche entgegenauf diese <111>-Achse bezogenen Schnitte als »Typ I« gesetzte magnetostriktive Vorzeichen in dieser Richbezeichnet. Der zweite in Betracht kommende Schnitt tung einführen.

ist auf eine <111>-Achse bezogen, die in der Ebene Die im folgenden angegebene Tabelle zeigt eine

der freien {211}-Kristallfläche liegt. Solche Schnitte Berechnung der Daten aus Bd. 22 des Journal of the werden als »Typ II« bezeichnet. In jedem Fall werden 40 Physical Society of Japan, S. 1201 (1967). Diese Tabelle Plättchen im wesentlichen normal zu der betreffenden zeigt die magnetostriktiven Werte in dimensionslosen

Einheiten, welche relative Längen- oder Dickenänderungen pro Zentimeter für R₃Fe₅O₁₂-Granat-Zusammensetzungen darstellen. Die dreiwertigen A- oder B-Ionen sind nach fallender Größe geordnet.

Es wurde gefunden, daß Granatzusammensetzungen, die die erwünschten außergewöhnlichen Charflkteristiken der leichten Magnetisierungsrichtung zeigen, wenigstens zwei verschiedene Typen von Ionen an den dodekaedrischen Plätzen enthalten müssen Um diese Bedingung zu erfüllen, müssen solche Ionen, die im folgenden als »A«-Ionen und »B«-Ionen bezeichnet werden, jeweils in einer Menge von wenigstens 10 Atomprozent der Gesamtzahl der solche Plätze belegenden Ionen vorhanden sein.

Es wurde gefunden, daß die Schnittrichtung von der relativen Größe und Magnetostriktion (sowohl das Vorzeichen als auch die Größe sind von Bedeutung^ der beiden lonentypen abhängig ist.

bezogen ist. Das bedeutet, daß der in Betracht stehende Teil des Kristalls unter solchen Bedingungen gezüchtet wurde, daß sich nur eine einzige freie Kristallfläche

voll verwendet werden kann). Während die Beziehung zwischen der einachsigen Anisotropie und der Wachstumsrichtung sich auf alle Kristallabschnitte mit cin-

<111> geschnitten (ein brauchbarer Schnitt entsprechend Typ I, welcher das Material erhält bzw. schont, ist ein {211}-Schnitt; er liegt daher etwa 20° außerhalb der Normalen).

Die Bestimmung dessen, ob der Schnitt entsprechend Typ I oder Typ II sein soll, richtet sich nach der relativen Größe und der Art der Magnetostriktion der reinen (A, B)3Fe_sO_1£-Zusammensetzungen entsprechend dem zugehörigen A- oder B-Ion. Für den einfachen Fall, daß das größere Ion ein positives magnetostriktives Vorzeichen in der <111>-R:jhtung hat und das kleinere Ion negativ ist, ist der Schnitt vom Typ I. Die umgekehrten Bedingungen ergeben den Schnitt gemäß Typ II, d. h., das größere Ion ist negativ, während das kleinere Ion positiv ist. Brauchbare Schnitte können Ionen der gleichen Magnetosiriktionsart wie auch drei oder mehr Ionen verwenden — dies wird in der nachtoigenden Beschreibung noch gena ier erläutert. —

Tabelle I

60

1. Erörterungen zur Zusammensetzung

(A, B)-Ion	A(IIl)	A<100>
Sm	-8,5 · 10-«	+21 · 10-·
Eu	+1,8 · 10-»	+21 · 10-·
Gd	-3,1 · 10-·	Null
Tb	+12,0 · 10-»	-3,3 · 10-·
Dy	-5,9 · 10-»	-12,5 · 10-«
Ho	-4,0 · 10-»	-3,4 · 10-<
Er	-4,9 · 10-»	+2,0 · 10-«
Tm	-5,2 · 10-»	+ 1,4-10-
Yb	-4,5 · 10-»	+1,4 · 10-
Lu	-2,4 · 10-»	-1,4 · 10-
Y	-2,4 · 10-·	-1,4-10-

Für die Zwecke der Erfindung geeignete Granate Wenn das größere der beiden Ionen positiv und das

haben die allgemeine Stöchiometrie der Prototypen- kleinere negativ ist, so entspricht der Schnitt Typ I.

Verbindung Y₃Fe₅O₁₂. Dies ist der klassische Yttrium- 65 Wenn das größere Ion ein negatives magi.et^nriktives

eiscngranat (YlG), der in seiner unmodifizierten Form Vorzeichen in dieser Richtung und das kleinere Ion

ferrimagnetisch ist, wobei ein Moment auf Grund ein positives Vorzeichen hat, so entspricht der Schnitt

des Übergewichts der drei tliseniontn pro Formel- Typ

Beispiele

Die folgenden Beispiele sind für Tvp 1- und Typ 11-uranaie repräsentativ.

Tyn 1

TbEr₂AlFe₄O₁₂,
Eu₂ErGa_0-7Fe₄₁₃O₁₂,
Tb_{0 75}Y₂ J₅Ga_0-9Fe₄,,O₁₂.

Gd₂₁J₄Tb_0-68Fe₆O₁₂,
Gd_2-325Tb₀₁₆₈₅Eu_0-09Fe₅O₁₂.

Es ist auch möglich, ein brauchbares Material zu erhalten, wenn beide A- und B-Ionen eine <111>Magnetostriktion gleichen Vorzeichens einführen, vorausgesetzt, daß ihr Beitrag zur Magnetostriktion in den <111>-Richtungen unterschiedlich ist. Anders ausgedrückt, wenn die Vorzeichen gleich sind, besteht eine Bedingung darin, daß das Produkt der Zahl von A-lonen und deren magnetostriktive Größe von demselben Produkt für die B-Ionen abweicht. Wenn das magnetostriktive Vorzeichen gleich ist (es werden stets die <111>-Richtungen betrachtet), so entspricht bei positiven Ionen der Schnitt dem Typ 1, wenn der Beitrag (d. h. λ_ιη · Konzentration) des größeren Ions rrößer ist; der Schnitt entspricht dem Typ II für die umgekehrte Beziehung. Der Schnitt kann auch dem Typ I entsprechen, wenn heide Ionen negativ und der Beitrag des kleineren Ions größer ist. Er kann von Typ II sein, wenn die umgekehrten Verhältnisse vorliegen.

Für den komplizierteren Fall, daß mehr als zwei Ionen an den dodekaedrischen Plätzen vorhanden sind, ist es notwendig, den verantwortlichen Mechanismus zu betrachten. Der folgende vorausgesetzte Mechanismus bildet eine ausreichende Basis zur Bestimmung der erforderlichen magnetostriktiven Größenordnung. Dieser Mechanismus dient nicht zur Erläuterung des Vorhandenseins einer einachsigen Anisotropie an sich, und dieses grundlegende Phänomen ist bisher noch etwas zweifelhaft. Es genügt die Feststellung, daß sich Ionen unterschiedlicher Größe an entsprechenden Plätzen unter Spannung befinden, wobei das größere unter Druckspannung und das kleinere unter Zugspannung steht. Wenn ein magnetostriktives Vorzeichen in einer gegebenen Richtung (in diesem Falle die <111>-Richtur.gen) unterschiedlich ist, ist der Effekt der Spannung kooperativ, und die leichter magnetisierbare Achse des Kristalls ist für beide Ionen dieselbe. Wenn das magnetostriktive Vorzeichen der beiden Ionen gleich ist, wirken sie einander in dem Sinne entgegen, daß die eingeführten leichter magnetisierbaren Achsen für die unter Druckspannung und unter Zugspannung stehenden Ionen orthogonal sind.

Für den komplizierten Fall, daß mehr als zwei Ionen dodekaedrische Plätze besetzen, ist es notwendig, daß die spannungsinduzierte Anisotropie einen endliehen resultierenden Wert hat. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung geeignete Zusammensetzungen können daher allgemein dadurch definiert werden, daß sie an den dodekaedri-chen Plätzen zwei oder mehr Ionen aufweisen, deren Größe und Magneiostriktionen in den <111>-Richtungen so gewählt sind, daß sie auf Grund der sich aus der Größenverteilung der dodekaedrischen Ionen ergebenden lokalen Spannung eine induzierte Anisotropie ergeben. Die Bedingung, daß wenigstens zwei Ionen in einer Menge von wenigstens ¹⁰ Atcrnprozent auf der genannten Basis vorhanden ^Slncl' ^{lst staIlstlscn}- ^[}'^e induzierte Anisotropie muß innerhalb jeder Domänenwandabmessung ausreichend gleichmäßig sein.

a) Verschiedene Bedingungen

Das Vorstehende reicht aus, um die Gültigkeit der erfindungsgemäßen Annahme für den allgemeinen Fall zu beweisen. Es wurde jedoch darauf hingewiesen, daß _ej_ne f_est_e mechanistische Basis für das Grundphänomen der einachsigen magnetischen Anisotropie in dem als »kubisch« angenommenen Granat derzeit noch nicht verfügbar ist. Obwohl eine solche einzige Magnetisierungsrichtung unweigerlich zu ZusammenSetzungen führt, welche die oben genannten Bedingungen erfüllen, wenn die Kristalle geeignet vorbereitet werden, ist es möglich, selbst solche Stoffe durch

ao Tempern bei hoher Temperatur isotrop zu machen. Es wurde beispielsweise beobachtet, daß jede dieser Zusammensetzungen durch Tempern bei Temperatüren in der Größenordnung von 1200 C oder höher über einige Stunden magnetisch kubisch gemacht

as werden kann. Daraus folgt, daß die verwendete Kristallzüchtungsmethode ohne eine derartige Temperung auskommen sollte. Dies wurde experimentell durch die Beobachtung bestätigt, daß anfänglich erzeugte Teile von Kristallen, die bei fallender Temperatur, und zwar wesentlich über i2öO C gezüchiei wurden, nicht eine solche einachsige Anisotropie zeigen, während später bei Temperaturen unterhalb von 120O⁰C gezüchtete Teile (die niemals Temperatüren oberhalb von 1200 C ausgesetzt waren) die gewünschten Eigeschaft haben.

Selbstverständlich muß ein für die erfindungsgemäß vorgesehene Verwendung geeignetes Material die erforderliche kristalline Perfektion haben, um eine Ausbreitung bzw. Übertragung von einwandigen Domänen zu ermöglichen. Eine Züchtung unter solchen Bedingungen, daß eine solche Ausbreitung störender kristalliner Fehler im wesentlichen vermieden wird, ist, wie festgestellt wurde, eine ausreichende Gewähr für die erforderliche einachsige Anisotropie.

Wie in IEE Transactions Mag-5 (1969), S. 544 bis 553, erläutert wurde, ändert sich der Domänendurchmesser mit dem magnetischen Moment wie M ². Dies bedingt einen Magnetisierungsbereich, der einwandige Domänen einer gewünscnten Größe aufrechterhalten kann. Für übliche Einrichtungen führt dies wiederum zu einem erwünschten Magnetisierungsbereich von etwa 30 bis 500 Gauß. Da die meisten Granatzusammensetzungen, bei denen sowohl die tetraedrischen als auch die oktaedrischen Plätze durch Eisenionen besetzt sind, Magnetisierunger haben, welche diesen Bereich übersteigen, ist es häufig erwünscht, einen Teil der Eisenionen zu ersetzen. Im allgemeinen wird dies durch eine Teilsub stitution mit nichtmagnetischen Ionen erreicht, weiche vorzugsweise tetraedrische Plätze besetzen (das resul· tierende Moment in der Prototyp-Zusammensetzung ist von dem Übergewicht des Eisens an diesen Plätzer abhängig). Beispiele für solche Ionen -,imi Ga³ Al³', Si¹'. Ge⁴' und V^5t. Bei einer derartigen bevor zugten Besetzung sollten die !onenradien deich odei kleiner als 0,062 Ä sein.

Diese lirläuterungen zur Magnetisierung sind reu illustrativer Art; andere Modifizierungen könnet

vorgenommen werden, um Momente der gewünschten Ebene der Schicht bzw. Platte 11 gemäß F i g. 1 und 2

Größe in dem vorgesehenen Betriebstemperatur- dreht. Die Reorientierungsfeldquelle ist in F < g. 1

bereich zu erzielen. als Block 12 dargestellt und kann zwei gegenseitig

Obwohl das erfindungsgemäße Konzept auf lokalen orthogonale Spulenpaare (nicht gezeigt) aufweisen,

Spannungen bar^:ert, ist es häufig erwünscht, daß die 5 d^;c in bekannter Weise mit 90° Phasenverschiebung

Grandtzusammcnsetzung einen geringen Magneto- betrieben werden. Die Konfiguration der Auflage ist in

striktionswert in der <111>-Richtung zeigt. Dies hat Fig. 1 nicht im einzelnen gezeigt. Statt dessen sind

offensichtlich herstellungstechnische Vorteile, da die nur geschlossene »Informations«-Schleifen gezeigt, um

Stoffe mit Substraten unterschiedlichen Ausdehnungs- die Erläuterung des erfindungsgemäß vorgesehenen

koeffizienten ohne schädliche Wirkung auf die io grundsätzlichen Aufbaus unbelastet durch die detail-

Koerzitivkraft, welche die Domänenausbreitung er- licrten Ausführungen zu erleichtern. Auf die Ausfüh-

schwert, verbunden werden können. AuL'erdcm wird rung wird später noch erläuternd eingegangen,

dadurch ein größerer Spielraum in der Wahl der F i g. 1 zeigt eine Anzahl von horizontalen ge-

Verarbeitungstechniken möglich. Die resultierende schlossenen Schleifen, die durch eine vertikale ge-

<100>-Magnetostriktion beeinträchtigt ebenfalls die Be- 15 schlossene Schleife in rechte und linke Spalten unter-

v.eglichkeit der einwiindigen Domänen. Eine geei^.iete teilt sind. Es ist zweckmäßig, sich vorzustellen, daß die

Wahl von Ionen an den drei Kationenplätzen kann zur Information. z.B. die Domänen-Muster, in jeder

Erfüllung dieses Erfordernisses führen. Schleife im Uhrzeigersinn umläuft, wenn sich ein Feld

Ein weiterer Parameter praktischer Bedeutung ist die in der Schichtebene im Uhrzeigersinn dreht. Diese

Temperaturabhängigkeit der obengenannten Charak- 20 Betriebsweise wird nachfolgend noch genauer er-

teristiken. Es wurde experimentell festgestellt, daß die läutert.

Magnetisierungsänderung allein ein Maß für die Die gleichzeitige Bewegung von Domänen-Mustern Temperaturabhängij keit ist (geringe Temperatur- in allen durch die in F i g. 1 gezeigten Schleifen abhängigkeit der Magnetisierung gewährleistet aus- dargestellten Registern wird durch das Feld synchronireichende Unempfii dlichkeit der anderen maßgeb- 25 siert. Zur genaueren Erläuterung wird eine in F i g. 1 liehen Parameter, ί B. der kristallinen Anisotropie mit dem Bezugszeichen 13 bezeichnete Stelle jedes usw.). Während einfache Zwei-Kationen-Granat- Registers beobachtet. Jede Drehung des reorientierenzusammensetzungcn häufig gute Temperatureigen- den Feldes rückt ein nächstfolgendes Bit (Vorhandenschauen zeigen, äi'nieri sich dies irn allgemeinen bei sein oder Fehlen einer Domäne) auf diese Stelle in Modifizierung der Zusammensetzungen zur Verringe- 30 jedem Register vor. Auch ist die Bewegung der Bits rung des Momentes. Üblicherweise ist es möglich, im vertikalen Kanal mit dieser Bewegung synchronidie diodekaedrischen Kationen so zu wählen, daß die siert.

durch die Verdünnung an den tetraedrischen Plätzen Bei normalem Betrieb sind die horizontalen Kanäle

herbeigeführte Temperaturabhängigkeit minimalisiert durch Domänen-Muster belegt, und der vertikale

wird. 35 Kanal ist unbelegt. Ein Binär-Wort umfaßt ein

Domänen-Muster, welches gleichzeitig alle Stellen 13

2. Hguren j_n — j_e J₁₃₀J₁ der speziellen Anordnung des gegebenen

Die Einrichtung i-emaß den F i g. 1 und 2 ist ein Falles — einer oder beiden Spalten belegt. Es ist ohne

Ausführungsbeispiel für die in 1. E. E. E. Transactions weiteres einzusehen, daß ein auf diese Weise repräsen-

on Magnetics, Band MAG-5, Nr. 3, September 1969. 40 tiertes Binär-Wort für eine Übertragung in die ver-

S. 544 bis 553. beschriebenen, Domänen verwendenden tikale Schleife geeignet angeordnet ist.

Bausteine bzw. Einrichtungen, bei denen Schalt-, Die Übertragung eines Domänenmusters auf die

Speicher- und Logik-Funktionen von der Erzeugung vertikale Schleife ist selbstverständlich genau die

und Übertragung eingeschlossener, allgemein zylin- Funktion, welche anfänglich entweder für eine

drischer magnetischer Domänen mit einer gegenüber 45 Einlese- oder eine Ausleseoperation durchgeführi

der Magnetisierung des unmittelbar umgebenden wird. Die Tatsache, daß sich die Information stet«

Gebietes umgekehlten Polarisation abhängig sind. synchronisiert bewegt, gestattet eine Parallel-Über

Das Interesse für derartige Einrichtungen bzw. Bau- tragung eines ausgewählten Wortes zum vertikaler

steine konzentriert sich zum großen Teil auf die bei Kanal durch das einfache Mittel der Kennzeichnunj

ihnen mögliqhe sehr hohe Schreibdichte, denn es wird 50 oder Zuordnung der Zahl der Umläufe des Feldes unc

erwartet, daß kommerzielle Einrichtungen mit 1,5 · 10¹ der Ausführung der Parallel-Übertragung des usge

bis 1,5 · 10⁶ Bit-Plätzen pro Quadratzentimeter zur wählten Wortes während des entsprechenden Um

Verfügung stehen werden. Die Einrichtung gemäß den laufs. Fig. 1 und 2 stellt eine etwas fortgeschrittene Stufe der Die Übertragungsstelle ist in F i g. 1 durch dii Entwicklung von einwandige Domänen verwendenden 55 strichpunktiert gezeigte Schleife T gekennzeichnet Einrichtungen dar und enthält einige Details, weiche in welche den Vertikal-Kanal umgibt. Die Operatioi

oben ausgeführten Einrichtungen verwendet wurden. führt zur Übertragung eines Domänenmusters voi

F i g. 1 zeigt eine Anordnung 10 mit einer Schicht (einer oder) beiden Registerspalten in den vertikale]

oder einer Platte 11 aus einem Material, in welchem Kanal. Beispielsweise erfordert eine Übertragung eine

einwandige Domänen bewegt werden können. Die 00 1000-Bit-Worts die Übertragung von beiden Spalten

Bewegung der Domänen ist erfindungsge.-.iäß durch Die Übertragung erfolgt unter der Kontrolle eine Muster aus magnetisch weichem Auflagematerial in durch den Block 14 in F i g. 1 dargestellten Übet Abhängigkeit von reorientierenden Feldern in der tragungsschaltung. Die Übertragungsschaltung kan Platten- bzw. Schichtebene (in-plane fields) vor- eine Schieberegister-Kennzeichnungsschaltung zur

geschrieben. Für die. Zwecke der vorliegenden Be- 65 Steuern der Übertragung eines ausgewählten Worte

Schreibung wird vorausgesetzt, daß die Auflagen aus dem Speicher aufweisen. Dp-. Schieberegister ii

stab- und T-förmige Abschnitte sind und sich das selbstverständlich im Material 11 gebildet,

reorientierende Feld in Uhrzeigerrichtung in der N'ach der übertragung bewegt sich die inforrnatio

im vertikalen Kanal zu einer Eingabe-Ausgabe-Steile, die durch den vertikalen Pfeil A1 dargestellt wird und mit einer durch den Block 15 in F i g. I dargestellten Eingabe-Ausgabe-Schaltung verbunden ist. Diese Bewegung erfolgt in Abhängigkeit von aufeinanderfolgenden Umläufen des (in-plane) Feldes synchron mit der in den parallelen Kanälen im Uhrzeigersinn verlaufenden Bewegung der Information. Eine Auslese- oder Einlese-Operation ist von Signalen der Steuerschaltung 16 abhängig und wird weiter unten im einzelnen erläutert.

Abschluß eines Ein- oder Auslesevorgangs bild.-t in ähnlicher Weise die Übertragung eines Domänen-Musters zum horizontalen Kanal. Jede Operation erfordert den Wiederumlauf von Information in der vertikalen Schleife zu den Stellen 13, wo eine Übertragungsoperation das Muster von dem vertikalen Kanai in der oben beschriebenen Weise in geeignete horizontale Kanäle zurückbringt. Auch dabei ist die Bewegung der Information durch das rotierende Feld stets synchron, so daß nach der Durchführung der Übertragung geeignete Leerstellen zur Aufnahme von Information in den horizontalen Kanälen an den Stellen 13 (Fig. 1) 7iir Verfugung stehen.

Der Einfachheit halber ist die Bewegung von nur einer einzigen, als binär'Eins bewerteten Domäne von einem horizontalen Kanal in den vertikalen Kanal dargestellt. Bei Fehlen einer Domäne, was als eine binäre Nu!! bewertet wird, ist die Operation für alle Kanale die gleiche. F i g. 2 zeigt einen Abschnitt eines Auflagemusters, das einen repräsentativen horizontalen Kanal bildet, in welchem eine Domäne bewegt wird. Beachtet wird insbesondere die Stelle 13, an der die Domänen-Übertragung stattfindet.

Es ist zu sehen, daß das Auflagemuster sich wiederholende Abschnitte enthält. Wenn das Feld mit der Richtung der größeren Abmessung eines Auflageabschnitts ausgerichtet ist, so induziert es in den Endteilen der Abschnitte Pole. Es sei angenommen, daß das Feld anfänglich in der durch den Pfeil H gemäß F i g. 2 angezeigten Richtung orientiert ist und daß positive Pole Domänen anziehen. Ein Zyklus bzw. ein Umlauf des Feldes kann aus vier Phasen bestehend angesehen werden, wobei es eine Domäne aufeinanderfolgend zu den in F i g. 2 durch die umrandeten Zahlen 1, 2, 3 und 4 bezeichneten Stellen bewegt, die nacheinander von positiven Polen belegt werden, wenn das Drehfeld mit diesen Stellen in Ausrichtung gelangt. Selbstverständlich entsprechen die Domänen-Muster in den Kanälen dem Wiederholungsmuster der Auflage. Das heißt, die nächst benachbarten Bits liegen um ein Wiederholungsmuster auf Abstand. Die gesamten Domänenmuster, welche aufeinanderfolgende Binär-Worte repräsentieren, bewegen sich demzufolge nacheinander zu den Stellen 13.

Die besondere Ausgangsstellung gemäß F i g. 2 wurde gewählt, um eine Beschreibung normaler Domänen-Übertragung in Abhängigkeit von sich in der Ebene drehenden Feldern zu vermeiden. Diese Betriebsweise ist im einzelnen in der oben genannten Vorveröffentlichung beschrieben. Statt dessen weiden die in F i g. 1 von rechts aufeinanderfolgenden Stellungen einer Domäne neben dem vertikalen Kanal vor einer Übertragungsoperation beschrieben. Eine Domäne an der in Fig. 2 gezeigten Stelle 4 ist für den Beginn des Übertragungszyklus bereit.

Die F i g. 3 und 4 zeigen Schnitte entsprechend Typ I bzw.Typ II. Die Abhängigkeit der Schnittrichtung von der dodekacdrischen lonenzusammen-Setzung wurde bereits beschrieben. Die Art der Schnitte entsprechend Typ I und Typ II wird an Hand dieser Figuren erläutert.

F i g. 3, die den Typ I Granat darstellt, ist eine perspektivische Ansicht, die drei {211 }-Kristallf1ächen zeigt, von denen eine Anzahl von Plättchen bzw. Scheibchen bereits abgenommen worden ist. Die maßgeblichen {211 }-Kristallflächen 41, 42 und 43 haben eine gemeinsame Schnittstelle, die von einer <111>-Achse44 definiert ist. Plättchen bzw. Scheibchen, die normal zu dieser Achse abgeschnitten sind und daher parallel zur freigelegten Ebene 45 verlaufen, zeigen eine einzige leichte Magnetisie-ungsrichtung

»5 parallel zu der [111]-Achse und demgemäß im wesentliehen normal zur {211 }-Ebene (19 28' außerhalb der Normalen). Da die Ebene 45 tatsächlich eine <111>Kristallebene ist, steht die einzige leichte Magnetisierungsrichtung normal zu allen Teilen dieser Ebene.

Für die meisten Zwecke ergeben die Grenzflächen 45, die die planaren Schnitte der drei die Kristallflächen 41, 42 und 43 hervorrufenden Abschnitte definieren, eine gewisse Koerzitivkraft gegenüber der Domänenausbreitung. Die Plättchen werden vorzugsweise so gewählt, daß sie keine derartigen Grenzflächen einschließen bzw. aufweisen. Gewisse Ausführungsformen verbieten jedoch nicht eine solche Einbeziehung. Ein etwas ungünstigerer, jedoch brauchbarer Schnitt des Typs I ist der parallel zu den {211}-Uristaiinächen verlaufende {211 {-Schnitt. Eine einzige leichte Richtung liegt bei solchen Plättchen 19' 28' außerhalb der Normalen, und dies reicht für viele Anwendungszwecke aus. Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung soll diese Abweichung unter den Begriff »im wesentlichen normal« fallen.

F i g. 4 ist Mne Ansicht der bei einem Typ II Granat erwünschten Schnittführung. In dieser Figur ist die in der Ebene der freien {211 J-Kristallfläche 51 liegende <111>-Richtung 50 von Bedeutung. Die Schnittrichtung liegt orthogonal zur Richtung 50, und eine Plättchenfläche ist zur Veranschaulichung als Ebene 52 freigelegt. Diese freigelegte Ebene definiert eine <111>-Ebene.

Mit der einzigen Ausnahme der Schnitte nach dem Typ I mit den beschriebenen Schnitten bzw. Abschnitten werden die Schnitte sowohl nach dem """yp I als auch nach dem Typ II notwendigerweise von gezüchteten kristallinen Teilen in solcher Weise genommen daß nur eine einzige (oder drei benachbarte) frei« Kristallfläche(n) erzeugt wird (werden), nämlict {211}-Kristallfiachen.

3 Vorbereitungsmethoden

Die erfindungsgemäße Konzeption ist im wesent liehen vom Züchtungs- bzw. Wachstumsprozeß unab hängig, abgesehen davon, daß die Züchtung bei Tem peraturen unter etwa 1200⁰C wesentlich ist, um ein Ordnung zu gewährleisten, welche einer magnetise

einachsigen Ausrichtung dienlich ist. (Dies schlief nicht eine Erzeugung bei höherer Temperatur in eine mit fallenden Temperaturen arbeitenden Technik au da eine Angleichung an das auf niedrigerer Tempers tür befindliche Material erfolgt.) Geeignete kristalle

Materialien können aus der Schmelze entweder sponta oder auf einem Zuchtkeim (vgl. zum Beispiel J. Phy Chem. Solids Suppl., Crystal Growth, von H. Peiser [1967], S.441 bis 444, und Journal

Applied Physics Suppl. 33, 1362 [1962]), oder hydrothermisch (vgl. J. Am. Ceram. Soc. 45, 51 [1962]) gezüchtet werden. {211}- oder <111>-Kristallrlächen werden vorzugsweise für Züchten auf Zuchtkeimen verwendet. In gewissen Fällen kann es vorteilhaft sein,

zur {211 [-Fläche parallele Schnitte zu verwenden, um das Material zu erhalten. In anderen Fällen können <111>-Schnitte vorzuziehen sein, da die Achse magnetischer Ausrichtung dann senkrecht zur Schnittebene steht.

Hierzu 1 Blatt Zeic'inuneen

Claims

Patentansprüche:

1. Magnetische Schaltung mit einem Körper aas ferrimagnetischem Material, das einachsig magnetisch anisotrop ist und lokale eingeschlossene Bereiche mit einer derjenigen des Unigebungsmaterials entgegengesetzten magnetischen Polarisation aufweist und einer Einrichtung zum Einstellen der entgegengesetzt polarisierten, lokalen eingeschlossenen Bereiche, dadurch gekennzeichnet, daß das Material Granatstruktur hat. daß die dodekaedrischen Plätze im Material von wenigstens zwei verschiedenen Ionen besetzt sind. von denen jedes in einer Menge von wenigstens 10 Atomprozent auf der Basis der Gesamtzahl der diese dodekaedrischen Plätze besetzenden Ionen vorliegt, daß diese Ionen aus der aus Y³', Lu^J . La³ und den dreiwertigen Ionen der lanthanidischen Seltenen ( rden bestehenden Gruppe ausgewählt sind und daß der Körper ein Plättchen ist. dessen größere Ebene im wesentlichen eine kristallografisch^ 111 -Ebene definiert und das aus einem kristallinen Teil ausgewählt ist. der als ganzer in der Weise gezüchtet wurde, daß sich nur {211 }-FI,ichen ergeben.

2. Mapnetische Schaltung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß das Plättchen im wesentlichen eine kristallografisch^ 111 -Ebene definiert, welche der innerhalb der Ebene einer {211 j-Kristallfiäche liegenden /HP-Richtung entspricht.

3. Magnetische Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die do^ekaedrischen Plätze von zwei verschiedenen Ionen besetzt sind, von denen das größere ein negatives magnetostriktives Vorzeichen und das kleinere ein positives magnetostriktives Vorzeichen hat. wobei beide Vorzeichen auf die (lllVAchse bezogen sind.

4. Magnetische Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Plättchen im wesentlichen eine kristallografisch^ <111>-Ebene definiert, die normal zur (11 lVRichtung steht, welche die gemeinsame Schnittstelle der drei Kristallabschnitte bildet, wobei jeder Kristallabschnitt eine einzige, eine {211 {-Ebene definierende Kristalllläche enthält.

5. Magnetische Schaltung nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß die dodekaedrischen Plätze von nur zwei unterschiedlichen Ionen besetzt sind, von denen das größere ein positives magnetostriktives Vorzeichen auf den <111>-Achsen und das kleinere ein negatives magnetostriktives Vorzeichen auf den <111>-Achsen hat.