Zusatzpatent zum Hauptpatent Nr. 411040 Dünnschichtspeicheranordnung Die Erfindung bezieht sich auf eine Dünnschicht speicheranordnung mit einer streifenförmig ausgebilde ten Schicht aus magnetischem Material, die auf einen nichtmagnetischen Träger aufgebracht ist, nach dem Patentanspruch I des Hauptpatentes.
Gegenstand des Patentanspruches I des Hauptpa tentes ist eine magnetische Dünnschichtspeicheranord- nung der genannten Art mit den folgenden Merkmalen: Wenigstens ein elektromechanischer Wandler ist derart mit dem Träger gekoppelt, dass auf den Träger übertragene Schwingungen in diesem mechanische Longitudinal-Schwingungen hervorrufen, unter deren Einfluss sich in der Schicht durch Domänenwände be grenzte, mit den Schwingungen wandernde Zonen aus bilden.
An einem Ende der Schicht ist eine Schreiblei tung derart angeordnet, dass ihr zugeführte Datensi gnale eine Ausrichtung der Magnetisierung in der nächstgelegenen Zone in Übereinstimmung mit den zu speichernden Daten bewirken. Am anderen Ende der Schicht ist eine Leseleitung vorhanden, in der beim Richtungswechsel der Magnetisierung in der ihr nächstgelegenen Zone eine Spannung induziert wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbesse rung der genannten Anordnung, die dadurch gekenn zeichnet ist, dass die magnetische Schicht die Eigen schaft aufweist, dass die Ausbildung von Neel-Wänden als Domänenwände zwischen einzelnen Zonen der Schicht begünstigt, aber die Ausbildung von Bloch- Wänden dennoch zugelassen wird, und dass eine die in der Schicht vorhandenen Neel-Wände durch Anlegen eines Querfeldes in Bloch-Wände umwandelnde Steu ereinrichtung vorgesehen ist.
Die Ausbreitung der in der Schicht gespeicherten Informationen wird durch die Umwandlung der Neel- Wände in Bloch-Wände verhindert. Wenn eine Domä- nenwand einmal die Form einer Bloch-Wand ange nommen hat, bleibt die durch die mechanischen Zug- und Druckwellen erzeugte Anisotropie auf diese Domänenwand wirkungslos, die daher an ihrem Ort innerhalb der Schicht stehen bleibt.
Nach Abschaltung der mechanischen Schwingungen und nach Beseitigen des Querfeldes verwandeln sich die Bloch-Wände wie der zurück in Neel-Wände, ohne dass dabei der Spei cherinhalt der Schicht verloren geht.
Nachfolgend wird anhand von Zeichnungen die Art der Dünnschichtspeicheranordnungen erläutert und ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben: Fig. 1 dient in Verbindung mit den Fig. 2 und 3 zum Verständnis der weiter unten erläuterten Erfin dung und zeigt in schematischer Darstellung eine Dünnschichtspeicheranordnung gemäss dem Hauptpa tent.
Fig.2 veranschaulicht die Wirkung einer an die Dünnschichtspeicheranordnung von Fig.1 angelegten mechanischen Druckwelle.
Fig.3a-3e zeigen eine schematische Darstellung der Informationsausbreitung in einer solchen Dünn schichtspeicheranordnung.
Fig.4 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel der Dünnschichtspeicheranordnung nach der Erfindung.
Fig. 5 zeigt die Orientierung der Magnetisierungs- vektoren beim Aufbau einer Bloch-Wand als Domä- nenwand zwischen zwei entgegengesetzt magnetisierten Zonen der magnetischen Schicht.
Gemäss Fig. 1 ist ein elastischer nichtmagnetischer Träger 10 vorgesehen, der z. B. aus einkristallinem oder geschmolzenem, d. h. glasartigem Quarzmaterial besteht, das sich mit geringer Dämpfung komprimiert und dehnt, wenn es mechanischen Longitudinal- Schwingungen ausgesetzt wird. Die Schwingungen durchlaufen den Träger 10 in seiner Längsrichtung entsprechend der mit einem Pfeil bezeichneten X-Ko- ordinatenachse. Ein elektromechanischer Wandler 12 ist am einen Ende des Trägers 10 angeschlossen und mit einem Generator 14 verbunden.
Am entgegenge setzten Ende des Trägers 10 ist ein absorbierendes Glied 16 vorgesehen, das die longitudinalen Schwin gungen in Gestalt von Schrumpfung oder Dehnung des Trägers 10 absorbiert. An dessen Stelle könnte auch der Träger 10 an seinem Ende zugespitzt verlaufen, um eine ähnliche Wirkung zu erzielen. Auf der Ober fläche des Trägers 10 ist eine anisotrope dünne Magnetschicht 18 aufgetragen, deren Vorzugsrichtung der Magnetisierung quer zur Längsausdehnung des Trägers 10 verläuft, wie durch die mit einem Pfeil be zeichnete leichte Achse Y angedeutet ist.
Die Magnet schicht 18 kann auf den Träger 10 nach einem beliebi gen Verfahren aufgebracht sein, wie durch Aufdamp fen im Vakuum, Kathodenzerstäubung, Elektroplattie- ren usw., in Anwesenheit eines magnetischen Feldes,
das die uniaxiale magnetische Anisotropie während des Herstellungsverfahrens induziert. Die Magnetschicht besteht vorzugsweise aus einer Nickel-Eisen-Legierung mit annähernd 85 % Ni und 15 % Fe oder aus einer solchen mit
annähernd 75 % Ni und 25 % Fe in Ge- wichtsanteilen. Diese Kompositionen des ferromagneti- schen Materials werden gewählt,
um der Schicht 18 entweder eine negative Magnetostriktion (85 % Ni und 15 % Fe)
oder eine positive Magnetostriktion (75 % Ni und 25 % Fe) zu verleihen.
Die positive Magnetostriktion ist für ein magneti sches Material, welches in seiner Längsachse einem mechanischen Zug oder Druck unterworfen wird, fol- gendermassen definiert: Eine Dehnung erzeugt eine mechanisch induzierte magnetische Anisotropie in Richtung der Dehnung, eine Schrumpfung dagegen eine mechanisch induzierte magnetische Anisotropie quer zur Schrumpfungsrichtung.
Unter negativer Magnetostriktion versteht man dementsprechend die Eigenschaft des magnetischen Materiales, dass sich eine mechanisch induzierte Anisotropie in Richtung der Schrumpfung bei Druck und bei Zug quer zur Dehnungsrichtung einstellt.
Wird angenommen, dass die Magnetschicht 18 eine positive Magnetostriktion aufweist, hat bei Kompression des Trägers 10 die mechanisch induzierte magnetische Anisotropie der Magnetschicht 18 eine Vorzugsachse entlang der Y- Achse, und bei Ausübung eines Zuges auf den Träger 10, d. h. bei einer Dehnung, verläuft die mechanisch induzierte magnetische Anisotropie der Magnetschicht 18 parallel zur X-Achse.
Der Träger 10 und damit auch die mit ihm verbundene Magnetschicht 18 erfah ren demnach einen Zug oder einen Druck auf longitu- dinale mechanische Wellen hin, die von dem Generator 14 über den elektromechanischen Wandler 12 zuge führt werden. Durch eine Schreibleitung 20 wird ein Teil der Magnetschicht 18 in ihrer Längsausdehnung induktiv gekoppelt, und diese Leitung liegt quer zur magnetischen Vorzugsachse. Eine Leseleitung 22 kop pelt einen anderen Teil der Magnetschicht 18, und liegt ebenfalls quer zur magnetischen Vorzugsachse. Die Schreibleitung 20 ist mit einer Eingabeschaltung 24 und die Leseleitung mit einer Ausgangsschaltung 26 verbunden.
Der Generator 14 liefert in Verbindung mit dem Wandler 12 aufeinanderfolgende Impulse an den Trä ger 10, die jeder eine Dehnung oder eine Zusammen ziehung des Trägers 10 und damit auch der mit ihm verbundenen Magnetschicht 18 bewirken. Je nachdem, ob die Magnetschicht 18 sich auf die ihr zugeführten mechanischen Impulse hin dehnt oder zusammenzieht, wird die Schicht so hergestellt, dass sie entweder eine positive oder eine negative Magnetostriktion aufweist, um in jedem Falle eine induzierte längsgerichtete An isotropie in demjenigen Teil der Magnetschicht 18 ent stehen zu lassen, der der mechanischen Beanspruchung ausgesetzt wird.
Die Grösse der auf die Magnetschicht 18 ausgeübten mechanischen Beanspruchung soll jedoch für sich allein nicht ausreichen, um den Schwel lenwert des Umschaltens der magnetischen Schicht zu überwinden.
In Fig.2 ist zur Veranschaulichung die Magnet schicht 18 schematisch so dargestellt, dass sie aus sie ben Zonen A-G besteht. Darunter ist für einen be stimmten Zeitpunkt ein akustisches Signal in dem Trä ger 10 dargestellt, das aus einer Folge von Beanspru- chungsimpulsen besteht, die nacheinander in bestimm ten Zeitabständen an die Magnetschicht 18 angelegt werden. Es sei angenommen, dass die Magnetisierung in allen Zonen A-G zunächst entlang der Vorzugs achse der Schicht, d. h. in der Zeichnung aufwärts, gerichtet ist.
Es gibt zwei verschiedene Möglichkeiten wie die magnetischen Vektoren sich in einer Domänenwand orientieren, wenn die allgemeine Magnetisierungsrich- tung zweier benachbarter Zonen sich umkehrt. Einmal kann der Übergang der magnetischen Orientierung in eine entgegengesetzt orientierte Zone durch Drehung der Vektoren der Magnetisierung innerhalb der Ebene der Schicht erfolgen.
Andererseits kann der Übergang der Magnetisierungsvektoren durch einen allmählichen Übergang in Spiralform aus der Ebene des Films her aus aus dem einen stabilen Zustand in den entgegenge setzten stabilen Zustand der benachbarten Zone erfol gen. Wenn sich die Magnetisierungsvektoren einer Domänenwand innerhalb der Schichtebene drehen, wird diese Domänenwand als Neel-Wand eingestuft.
Wenn sich die Magnetisierungsvektoren einer Domä- nenwand aus der Ebene der Schicht heraus aus dem einen Zustand in einen entgegengesetzten Zustand dre hen, wird diese Wand als Bloch-Wand bezeichnet. Die Unterschiede zwischen einer Neel- und einer Bloch Wand sind dem Fachmann bekannt.
Es sei angenommen, dass zu dem Zeitpunkt, wenn die Grenzen zwischen benachbarten Zonen einer mechanischen Beanspruchung ausgesetzt werden (Fig. 2), die Schreibleitung 20 durch die Eingabeschal tung 24 erregt wird und so ein magnetisches Feld an beispielsweise die Zone A anlegt, das abwärts in Rich tung der magnetischen Vorzgusachse gerichtet ist.
Die ses Eingangsfeld wird so gesteuert, dass es gross genug ist, um die Magnetisierung der Zone A aus einem auf wärtsgerichteten, remanenten stabilen Zustand in einen entgegengesetzt- oder abwärtsgerichteten, remanenten stabilen Zustand umzuschalten. Die dann bestehende Verteilung der Magnetisierung der Magnetschicht 18 zeigt Fig.3a. Daraus ist zu ersehen, dass nun die Magnetisierung der Zone A nach unten gerichtet ist, während die aller anderen Zonen nach oben zeigt.
Da die Magnetisierung der Zone A entlang der Vorzugs achse der Magnetschicht der Magnetschicht 18 nach unten gerichtet ist, wird der als stärker gezeichnete Linie dargestellte Übergangsbereich zwischen den Zonen A und B durch eine allmähliche Drehung der magnetischen Vektoren in der Ebene der Schicht aus der leichten Abwärtsrichtung in die leichte Aufwärts- richtung der Magnetschicht 18 in Zone B gebildet, d. h. durch eine Domänenwand.
Weil sich die an die Magnetschicht 18 angelegten mechanischen Impulse von links nach rechts entlang der Schicht ausbreiten, wird auch die durch die Erre gung der Eingangsleitung 20 erzeugte magnetische Domänenwand in gleicher Weise verschoben. Diese Ausbreitung ist aus den Fig. 3a-3e ersichtlich.
Die in Fig.3a gezeigte Magnetisierung der Zone A wird in jeder nachfolgenden Darstellung der Fig. 3b-3e jeweils in die in Fortpflanzungsrichtung benachbarte Zone übertragen Somit werden binäre Informationen in der Magnet- sc'h#icht 18 durch das Vorhandensein oder das Fehlen einer Domänenwand .repräsentiert. Es kann zum Beispiel das Vorliegen <RTI
ID="0003.0018"> einer Domänenwand eine binäre 1 und das Fehlen einer Domänenwand eine binäre 0 dar stellen. Soll eine weitere binäre<B> l </B> eingegeben wer den, wird die Schreibleitung 20 erregt, um ein magneti sches Feld an die Zone A der Magnetschicht 18 anzu legen, das entlang der Vorzugsachse aufwärts gerichtet ist und dessen Grösse ausreicht, um die Magnetisierung umzuschalten und so die Bildung einer Domänenwand z. B. zwischen den Zonen A und B zu bewirken, wie es die Fig.3d zeigt.
Mit dem nächsten mechanischen Impuls bewegt sich die so gebildete Domänenwand nach rechts, wie es die Fig. 3e erkennen lässt.
Die Leseleitung 22 fühlt den Vorbeigang einer Domänenwand ab, da eine Spannung darin induziert wird, die von der Ausgangsschaltung 26 verwendet wird, um das Vorliegen einer binären 1 zu erkennen und auszuwerten. Die Ausgabeeinrichtung kann auch eine Zeitsteuerschaltung enthalten, die mit der Steu erung der Erzeugung der mechanischen Wellen syn chronisiert ist, so dass immer dann, wenn keine Span nung in der Ausgangsleitung 22 induziert wird, dies als eine gespeicherte binäre 0 erkannt wird, während eine zum Auswertezeitpunkt induzierte Spannung eine binäre 1 darstellt.
Die Schaltung von Fig. 1 arbeitet insofern als Ver zögerungsleitung, als Informationen in die Schaltung eingeführt werden und nach einer bestimmten Zeit dauer am Ausgang zur Verfügung stehen. Um die In formationen zu speichern, könnten diese in Umlauf gesetzt werden, wodurch eine Anordnung in Form einer geschlossenen Schleife entstünde, indem z. B. die Leseleitung 22 zur Schreibleitung 20 zurückgekoppelt wird. Obwohl eine Umlaufschleife in der geschilderten Weise gebildet werden kann, wird dadurch eigentlich die der magnetischen Schicht 18 innewohnende Spei cherfähigkeit nicht voll ausgenutzt, und es muss der Generator 14 ständig ohne Ausfall im Betrieb bleiben.
Fig.4 zeigt ein Beispiel einer erfindungsgemäss verbesserten Anordnung für die Schaltung von Fig. 1. Es sind ausser den oben beschriebenen Merkmalen noch zusätzliche Mittel vorgesehen, um die Magnet schicht 18 von den durch den Generator 14 gelieferten akustischen Wellen abkoppeln zu können, damit nun die Information auch permanent in der Magnetschicht 18 gespeichert werden kann. Zur Verdeutlichung sind alle Teile von Fig. 4, die solchen von Fig. 1 gleichen, mit den gleichen Bezugsziffern mit Indexstrich verse hen worden. In Fig.4 ist der elektromechanische Wandler 12' mit dem Generator 14' über eine Schalt einrichtung 28 verbunden.
Weiter ist eine Steuerspule 30 vorgesehen, die mit einer wahlweise betätigbaren Stromquelle 32 verbunden ist. Diese erregt die Steuer spule 30 und erzeugt so ein magnetisches Feld, das quer zur Ebene der Magnetschicht 18 gerichtet ist.
Es sei angenommen, dass die Schalteinrichtung 28 betätigt ist und den Generator 14' mit dem Wandler 12' verbindet und dass die Eingabeschaltung 24' die Schreibleitung 20' erregt hat, wie es oben beschrieben ist. Wie erwähnt, kann die Erzeugung einer Domänen- wand ein Informationsbit darstellen, das entlang der Magnetschicht 18 durch die die induzierte longitudi- nale Anisotropie bewirkende mechanische longitudinale Welle verschoben wird.
IE er sei angenommen, dass die erzeugte Domänenwand die Gestalt einer Neel-Wand hat, in der die Magnetisierungsvektoren sich aus der einen Orientierungsrichtung in die andere Orientie rungsrichtung innerhalb der Ebene der Schicht drehen.
Die andere Möglichkeit der Ausbildung einer Domänenwand ist die einer Bloch-Wand, in der sich die Magnetisierungsvektoren aus einer Orientierungs richtung in eine andere dadurch drehen, dass sie sich spiralförmig aus der Ebene der Magnetschicht 18 her ausdrehen, wie es Fig. 5 von links nach rechts zeigt. Die Magnetisierungsvektoren 34 veranschaulichen den Übergang der Magnetisierung innerhalb eines Teils der Magnetschicht 18 aus dem einen, nach hinten gerichte ten Orientierungszustand in den nach vorne zeigenden anderen, wenn eine Bloch-Wand errichtet wird.
Wie man sieht, drehen sich mit der Erzeugung dieser Domänenwand die Magnetisierungsvektoren aus der einen Orientierungslage in der Schichtebene aus letzte rer heraus in eine Lage senkrecht zur Schichtebene und dann wieder hinein in eine entgegengesetzte Orien tierungsrichtung im anderen Teil der Schichtebene.
Wenn die in der Schicht erzeugte Domänenwand die Gestalt einer Neel-Wand hat, bewirkt die in der Schichtebene wirksame durch mechanische Beanspru chung induzierte longitudinale Vorzugsrichtung wegen der andersartigen Orientierung der Magnetisierungs- vektoren der Neel-Wand eine Wandverschiebung.
Wenn jedoch eine Bloch-Wand in der Schicht erzeugt wurde, liegt, da die eine Bloch-Wand definierenden Magnetisierungsvektoren aus der Schichtebene heraus gerichtet sind, wie es Fig. 5 zeigt, keine Koinzidenz der durch mechanische Beanspruchung bewirkten Aniso- tropie mit der Richtung der Magnetisierungsvektoren der Bloch-Wand vor, und die Bloch-Wand wird des halb auch nicht zur Ausbreitung durch Wandverschie bung veranlasst.
Um sicherzustellen, dass das Material der Magnet schicht 18 mit grösserer Wahrscheinlichkeit eine N6e1- Wand als eine Bloch-Wand bildet, wird diese Schicht in einer bestimmten Stärke hergestellt.
Es hat sich ge zeigt, dass dann, wenn die Stärke des Materials der Schicht etwa 500 Angström beträgt, zwar sowohl Neel- als auch Bloch-Wände in der Schicht möglich sind, dass aber im allgemeinen nur Neel-Wände gebildet werden, sofern keine zusätzliche äussere Einwirkung vorliegt.
Die gemäss der Erfindung zugefügte Steuerspule 30 und die Stromquelle 32 haben daher den Zweck, ein magnetisches Steuerfeld vorbestimmter Stärke zu er zeugen, das senkrecht zur Ebene der Magnetschicht 18' gerichtet ist, um die Magnetisierungsvektoren aus der Schichtebene herauszudrehen in jedem Teil der Schicht, wo eine Neel-Wand besteht, und dadurch eine Bloch-Wand zu erzeugen. Obwohl durch das Anlegen des Steuerfeldes an die Magnetschicht 18' diese wirk sam von den mechanischen Beanspruchungsimpulsen entkoppelt wird, ist es in der Praxis erwünscht, die binäre Information permanent in der Magnetschicht 18' zu speichern.
Eine remanente Speicherung erhält man durch Betätigung der Schalteinrichtung 28, wodurch der Generator 14' vom Wandler 12' getrennt wird. Nach einer vorherbestimmten Zeitdauer, die aus reicht, um den Durchgang aller akustischen und damit mechanischen Wellen zu gestatten, kann dann das Steuerfeld zusammenbrechen. Beim Zusammenfallen des Steuerfeldes werden die vorher erzeugten Bloch- Wände in der Magnetschicht 18' in Neel-Wände umge bildet, weil die Schicht die Eigenschaft hat, ohne Zu satzfeld bzvorzugt als Domänenwände Neel-Wände anstelle von Bloch-Wänden zu bilden.
Wenn die Magnetisierung entlang der Vorzugsachse der Magnetschicht 18 nach unten gerichtet ist, wird keine Bloch-Wand in dem Material, z. B. zwischen Zone D und Zone E in Fig.3e gebildet, wenn das durch die erregte Spule 30 erzeugte Steuerfeld wirksam ist. In Fig.5 ist die Orientierung der magnetischen Vektoren für eine Bloch-Wand veranschaulicht. Wie erwähnt, geht der Übergang der Magnetisierung von der Vektororientierung in der einen Richtung in der Ebene der Schicht spiralförmig in die Orientierung in der entgegengesetzten Richtung in der Schichtebene vor sich.
Damit ein solcher Übergang erfolgen kann, muss die Magnetisierung des magnetischen Materials auf jeder Seite des Übergangsbereiches, d. h. der Domänenwand, in der Schichtebene entgegengesetzt orientiert sein.
Da die Eingabeschaltung 24' Impulse entgegengesetzter Polarität zu der Schreibleitung 20' senden muss, wenn aufeinanderfolgende Einsen gespei chert werden, kann in der Eingabeschaltung 24' eine binäre Kippschaltung vorgesehen werden, die einen Ausgangsimpuls der einen Polarität bei Empfang eines ersten Eingangsimpulses und einen A,usgangsi'-.mpuls der anderen Polarität bei Empfang eines zweiten Eingangs impulses erzeugt. Solche Schaltungen sind bekannt und sind für das Verständnis der beschriebenen Schaltun gen nicht notwendig.