NL7900921A

NL7900921A - Thermomagnetische informatiedrager en optische geheu- geninrichting voorzien van een dergelijke informatie- drager.

Info

Publication number: NL7900921A
Application number: NL7900921A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1979-02-06
Filing date: 1979-02-06
Publication date: 1980-08-08
Also published as: GB2043698B; JPS55105832A; JPS6260738B2; GB2043698A; DE3002642A1; US4310899A; FR2448764A1; FR2448764B1; DE3002642C2

Description

' * 5·2.79 1 ΡΗΝ 934ο aanvrager: ÏÏ*V* Philips' Gloeilampenfabrieken, Eindhoven

Thermomagnetische informatiedrager en optische geheugenin-richting voorzien van een dergelijke informatiedrager.

De uitvinding heeft betrekking op een informatiedrager geschikt voor het langs thermomagnetische weg inschrijven en langs magneto-optische weg uitlezen van informatie, bevattende een substraat dat een dunne amorfe laag van een 5 zeldzame aarde-ijzer legering met een voorkeursrichting voor de magnetisatie loodrecht op het vlak van de laag draagt, alsmede op een optische geheugeninrichting voorzien van een dergelijke informatiedrager.

Informatiedragers als bovenbeschreven zijn bekend 10 uit de Nederlandse ter visie gelegde octrooiaanvrage 7508707. Met name is hieruit een informatiedrager met een op een substraat door middel van thermische verdamping in vacuum aangebrachte laag ijzer-gadolinium met ongeveer 40 atoomprocent gadolinium, rest ijzer, bekend.'Thermomagne-15 tisch inschrijven vindt plaats door de in een magneetveld geplaatste laag plaatselijk tot de Curietemperatuur te verwarmen, bijvoorbeeld met een gefocuseerde laserbundel, en vervolgens af te koelen, waarbij onder invloed van magnetische strooivelden van naburige, niet verwarmde gebieden de mag-20 netisatierichting van de verwarmde plaats omkeert. (Bij het omkeren van de magnetisatierichting wordt soms ook een uitwendig magneetveld gebruikt dat tegengesteld gericht is aan het veld waar de laag zich in bevindt.)

Een nadeel van de bekende informatiedrager is dafc het amorfe materiaal reeds bij relatief lage temperaturen 790 0 9 2 1 ...

·$ '

5.2.79 2 PHN 93bO

(vanaf 100-150°C) irreversibel van structuur verandert.

Hierbij veranderen de eigenschappen,met name de magnetische, eveneens. Op den duur leidt dit proces tot kristallisatie van het materiaal. Daar in de praktijk bij het inschrijven 5 van informatie het materiaal steeds weer een temperatuur-verhoging ondergaat om het in de buurt van de Curietempera-tuur te brengen, is het bovenbeschreven proces zeer ongewenst.

Aan de uitvinding ligt de opgave ten grondslag 10 een informatiedrager van de in de aanhef genoemde soort te verschaffen met een verhoogde stabiliteit ten aanzien van kristallisatie.

Deze opgave wordt volgens de uitvinding opgelost, doordat de zeldzame aarde-ijzer legering 15 tot 30$ borium 15 bevat.

Gebleken is dat dunne amorfe lagen van zeldzame aarde-ijzer legeringen met tenminste 15$ borium pas kristallisatie verschijnselen gaan vertonen bij een temperatuur die ca. 200° hoger ligt dan de temperatuur waarbij boriumvrije 20 legeringen van dit type kristallisatie verschijnselen vertonen. Bij toevoeging van meer dan 30$ borium blijken de magnetische eigenschappen van de onderhavige lagen minder geschikt te zijn voor een thermomagnetische inschrijf/ magneto optisch uitleesproces.

25 Heeft men eenmaal een samenstelling die tot een stabielere amorfe legering dan de tot nog toe bekende leidt, dan kan men er aan gaan denken om met behoud van de stabiliteit de basissamenstelling zodanig te variëren dat een reeks materialen met vooraf instelbare Curiétempe-30 ratuur ter beschikking komt. Dit is daarom interessant omdat dan bij iedere voor het inschrijven te gebruiken laser een materiaal met een aan het vermogen van de laser aangepaste schrijfgevoeligheid gekozen kan worden. Het voor inschrijven benodigde vermogen wordt namelijk mede bepaald door de tempera-35 tuur tot waar het materiaal opgewarmd moet worden.

Volgens een verder aspect van de uitvinding wordt een samenstellingsgebied voor de amorfe laag van de informatiedrager van de in de aanhef genoemde soort, binnen welk 790 0 9 2 1 5.2.79 3 PHH 93ho * gebied de Curietemperatuur continu verandert, gedefinieerd door de formule : - - r

J (ZA Gd.. ) Fe, \ . B

. y 1-y' jc 1-x · 1-z z 5 waarbij ZA is tenminste één representant van de groep Ho,

Dy, Tb en 0,2 < x ^ 0,3 0 < y < 1 0,15^ z ^ 0,3 10 Bij de reeks materialen die door de bovenstaande formule beschreven wordt zal de Curietemperatuur afhankelijk van de waarde van y tussen ongeveer 20°C en 230°C liggen, zodat een materiaal met een gewenste schrijfgevoeligheid gekozen kan worden zonder dat zelfs bij de materialen met hogere 15 Curietemperaturen gevreesd behoeft te worden dat deze bij het thermomagnetische inschrijfproces kristallisatie verschijnselen zullen gaan vertonen. Verder blijkt dat dunne lagen met een samenstelling volgens de uitvinding tot zeer geringe dikte hun eigenschappen behouden (relevant is in dit 20 opzicht in het bijzonder de loodrechte magnetische aniso-tropie), zodat ze zowel in reflectie (met behulp van het Kerr-effect) als ±i transmissie (met behulp van het Faraday-effect) uitgelezen kunnen worden.

Bij voorkeur bevat de amorfe laag holmium als tweede 25 zeldzame aard-metaal naast gadolinium^omdat in deze combinatie de samenstelling met behoud van de eigenschappen van de basissamenstelling zeer uitgebreid gevariëerd kan worden.

De uitvinding betreft tevens een optische geheugenin-richting voor het langs thermomagnetische weg inschrijven 30 en langs magneto-optische weg uitlezen van informatie, voorzien van een informatiedrager met een substraat dat een dunne amorfe laag als bovenbeschreven draagt, en verder voorzien van een stralingsbron, van middelen om door de stralingsbron geproduceerde straling op geselecteerde plaat-35 sen van de amorfe laag laag te richten en de temperatuur daarvan kortstondig te verhogen, van middelen om de amorfe laag loodrecht op zijn oppervlak voor te magnetiseren en van magneto-optische uitleesmiddelen.

790 0 9 2 1 5.2.79 4 ..... PHN 93^0 4 *

De uitvinding betreft verder een werkwijze voor het met grote reproduceerbaarheid vervaardigen van de informatiedrager in kwestie.

De uitvinding zal aan de hand van het volgende 5 voorbeeld en de figuren nader beschreven worden.

Fig. 1 toont een gedeelte van het systeem Gd-Fe-B met daarin aangegeven samenstellingen die in het kader van de uitvinding onderzocht zijn.

Fig. 2 toont een grafische weergave van het gehalte 10 aan borium van Gd-Fe legeringen met een borium toeslag in relatie tot de kristallisatietemperatuur van lagen met die samenstelling.

Fig. 3 toont een grafis-che weergave van het gehalte aan borium van (Gd Ho)-Fe legeringen met een borium toeslag 15 in relatie tot de kristallisatietemperatuur van lagen met die samenstelling.

Fig. 4 toont een grafische weergave van de Curietem-peratuur van drie verschillende met Ho, Dy of Tb gesubstituteer-de Gd-Fe lagen als functie van de aard en de grootte van de 20 substitutie.

Fig. 5 toont schematisch een inrichting voor ther-momagnetisch schrijven en magneto-optisch lezen.

Voorbeeld.

Een aantal dunne Gd-Fe-B lagen met de in het samen-25 stellingsdiagram van Fig. 1 met cirkels aangegeven samenstellingen werd in een (ultra) hoog vacuum opdampapparaat gemaakt. (Dit type dunne amorfe lagen kan overigens ook via een sputterproces worden verkregen.) Om zeer nauwkeurige samenstellingen te realiseren werden de elementen afzonderlijk 30 verdampt met behulp van drie elektronenstraalkanonnen. Ieder van deze kanonnen werd elektronisch geregeld met een kwarts-oscillator-regeling die zich in de metaaldampbundel bevond.

Vóór het opdampproces was de druk in de opdampklok ongeveer 3 x ÏO-·*"^ torr, -terwijl tijdens het opdampen de druk lager —8 35 was dan 5 x 10~ torr. Als substraat werd kwarts gebruikt.

Ook bijvoorbeeld barium-titanaat, glas,silicium komen echter als substraat materiaal in aanmerking. Het substraat bevond zich tijdens het opdampen in het snijpunt van de drie damp- 790 0 9 2 1 Λ 5.2.79 5 ΡΗΝ 93^0

bundels op 27 cm. boven de bronnen. Er werd opgedampt met een snelheid van 20 & sec"^ en de dikte van de opgedampte lagen was ongeveer 1500 iL

Uit röntgendiffraktiemetingen bleek de amorfe 5 toestand van de materialen.

In Fig. 1 is met dichte cirkels aangegeven bij welke samenstellingen, met behulp van Kerr mikroskopie, bij kamertemperatuur een voorkeursmagnetisatie loodrecht op het oppervlak van de film is gevonden. Hieruit blijkt, dat 10 in de buurt van de samenstelling Pe^ ^Gd^ ^ tot ongeveer 30 at'fo B kan worden toegevoegd voordat deze speciale magnetische anisotropie verdwijnt. De stippellijn in deze figuur geeft aan/weike samenstellingen de Pe : Gd verhouding 77 t 23 is. Langs deze lijn zijn van enige samenstellingen 10 de Curietemperaturen bepaald met een nauwkeurigheid van ± 5°c :

Tc (°C) ^.70^.21=.09 235 20 ^.62^.18=.20 245 Fe.54Gd.l6B.30 255

Stabiliteit.

25 Pig. 2 laat globaal zien dat bij gelijkblijvende

Gd/Fe-verhouding en toenemend boriumgehalte x de overgang van de amorfe naar de kristallijne toestand bij

(Gd_ „Fe .). B lagen vertraagd wordt. Als criterium U j j U j j j XI

is hier genomen de temperatuur T waarbij de amorfe structuur 30 wordt opgesplitst in een Gd-oxyde netwerk en 0(- Pe, resp, FeB.

Wanneer Gd gedeeltelijk door Ho, Dy of Tb wordt vervangen, dan blijkt dit geen merkbare invloed te hebben op de microstructuur van de lagen. Pig. 3 laat op dezelfde wijze als fig. 2 globaal zien dat bij gelijkblijvende Gd/Pe/Ho-35 verhouding en toenemend boriumgehalte x de overgang van de amorfe naar de kristallijne toestand bij 1 (GdHo)0 23Fe0 77 *”·* 1-x Bx laSen vertraagd wordt.

790 09 21 5.2.79 6 ΡΗΝ 93^0 ** 6

Curietemperatuur Τ^.

In Fig. 3 is Τ tegen het vervangingspercentage x uitgezet voor amorfe legeringen met de samenstelling

Fe__-\ Gd (Ho, Dy, Tb) · . Hieruit blijkt zowel bij r / ƒ i x—x x xj 0 gedeeltelijke vervanging van Gd door Ho (dichte cirkels) als door Tb (open vierkantjes) en Dy (open cirkels) een vloeiend verloop van T met x op te treden. Belangrijk in c deze figuur is de getoonde mogelijkheid om voor T een

O

gewenste waarde tussen kamertemperatuur en 230 C te reali- seren door variaties binnen het betreffende samenstellings- gebied.'De eventuele (geringe) invloed van toevoeging van borium is hier buiten beschouwing gebleven.

Het is bekend dat het magnetische moment van de zware zeldzame aarden elementen (atoomnr. Z~7f Sk) antiparallel kop- ^ pelt met dat van ijzer. Dat betekent dat in sommige van deze materialen de magnetisatie nul wordt bij een temperatuur beneden de Curietemperatuur (T ). Deze temperatuur wordt de compen- satie temperatuur (^comp) genoemd. Voor het thermomagnetisch inschrijven van informatie kan zowel T (men spreekt dan comp v u van compensatiepuntschrijven) als T (men spreekt dan van Curie- c puntschrijven) gebruikt worden. In het kader van de uitvinding is alleen de laatste mogelijkheid relevant, omdat in Fe-legeringer T _ zeer sterk van de samenstelling afhangt (variatie 100 °C per at. °/o samenstellingsverandenhg). Een beschrij- ving van de T respectievelijk T schrijftechniek is ° c * ° comp ° bijvoorbeeld te vinden in het artikel "An Overview of Optical Data Storage Technology", in Proceedings of the IEEE, Vol. 63,

No. 8, augustus 1975» bladzijden 1207-1215.

Inrichting.

on . f

Fig. 4 toont een inrichting voor thermomagnetisch informatie opslag met magneto optische uitlezing, gedeeltelijk in de vorm van een tekening en gedeeltelijk in de vorm van een blokdiagram. De inrichting bevat een informatie- opslageenheid, bevattende een amorfe laag magnetiseerbaar 35 materiaal 6 aangebracht op een substraat 7. Het magnetiseer-bare materiaal heeft één van de eerder genoemde Gd-Fe-B samenstellingen. Voor het inschrijven van informatiebits is de inrichting voorzien van een stralingsbron 1. Dit kan bijvoorbeeld een laser zijn.' Met deze bron worden energiepülsen op- 790 0.9 2 1

, «V

ft 5.2.79 7 phn 93^0 gewekt die na fobussering door de lens 2 en afbuiging door de afbuiginridating 3 een geselecteerde plaats, of adres, van de laag 6 treffen. (Terwille van de duidelijkheid is de hoek r?( die de invallende lichtbundel maakt met de normaal 5 als een hoek van ongeveer 45° weergegeven. Xn werkelijkheid is praktisch 0°.) Op deze plaats wordt door de temperatuur-verhoging die doorde invallende straling te weeg wordt gebracht een afnemen van de coercitiefkracht bewerkstelligd.

Het selecteren van een plaats wordt door de adresseerin-richting 4 verzorgd. Simultaan wordt door bekrachtiging van de spoel 9 een magnetisch veld met een geschikte veldsterkte ingeschakeld, dit om de magnetisatie van de laag loodrecht op het oppervlak te oriënteren. De magnetische strooivelden van de omringende plaatsen bewerkstelligen dat bij het af-koelen de magnetisatierichting van de ingestraalde plaats omgekeerd wordt. Voor het uitlezen van de opgeslagen informatie is een polarisator 5 tussen de afbuiginrichting 3 en de laag 6 geplaatst en zijn een analysator 10, een lens 11 en een foto-electrische cel 12 in deze volgorde in de richting 20 van de gereflecteerde bundel geplaatst. Voor het uitlezen is de stralingsbron 1 ingericht voor het leveren van een stra-lingsbundel met lagere energie dan voor het inschrijven, daar het niet wenselijk is dat de laag 6 door de uitlees-bundel verhit wordt. De analysator 10 is zodanig gedraaid dat 25 het licht dat gereflecteerd wordt door de delen van de laag 6 die in een vooraf bepaalde richting gemagntiseerd zijn, uitgedoofd wordt. Er valt dus op de foto-electrische cel 12 alleen licht dat door de delen van de plaat die gemagnetiseerd zijn tegengesteld aan de eerstgenoemde richting 30 wordt gereflecteerd.

Schrijfproces.

Schrijfexperimenten zijn uitgevoerd met een gefo-cusseerde laserbundel met een golflengte van 530 ^um. Er werd door het substraat heen belicht onder gelijktijdige 55 aanlegging van een uitwendig hulpveld met een veldsterkte van 45 Oerstedt. De amorfe laag was een laag met de samenstelling (Fe0,78 ^0,22^0,80 B0,20 met een dikte 1500 X · 790 0 9 2 1 1* 5.2.79 8 ρην 934ο

Rijen informatiebits met een diameter van 4-5 en een onderlinge afstand van eveneens 4-5 yum konden in de laag ingeschreven worden met behulp van de bovengenoemde laserbundel, die daarbij een vermogen van 17 mW op de laag 5 afgaf en gepulst was met een pulsduur Έ" van 10 sec.

10 15 20 25 30 35 790 0 9 2 1-

Claims

1. Informatiedrager geschikt voor het langs thermomag-netische weg inschrijven en langs magneto-optische weg uitlezen van informatie^bevattende een substraat dat een dunne amorfe laag van een zeldzame aarde-ijzer legering met 5 een voorkeursrichting voor de magnetisatie loodrecht op het vlak van de laag draagt, met het kenmerk, dat de zeldzame aarde-ijzer legering 15 tot 30°/o borium bevat.

2. Informatiedrager vólgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de zeldzame aarde-ijzer legering een samenstel- 10 ling heeft die voldoet aan _^de formule S λ(ZA Gd. Fe. I 1-z Bz y 1-y x 1-x ί V * waarbij ZA is tenminste één representant van de groep Ho, Dy, Tb en 0,2 ^ x ^ 0,3 15 0 < y < 1 0,15jiz 0,3

3. Informatiedrager volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat ZA is Ho. k. Optische geheugeninrichting voor het langs thermo- 20 magnetische weg inschrijven en langs magneto-optische weg uitlezen van informatie, voorzien van een informatiedrager in de vorm van een substraat dat een dunne amorfe laag van een zeldzame aarde-ijzer legering draagt, en verder voorzien van een stralingsbron, van middelen om door de stra-lingsbron geproduceerde straling op geselecteerde plaatsen 79. o y >: 5.2.79 - IQ PHN 9340 van de amorfe laag te richten en de temperatuur daarvan kortstondig te verhogen, van middelen om de amorfe laag in een richting loodrecht op zijn oppervlak voor te na gneti-seren, en van magneto-optische uitleesmiddelen, met het 5 kenmerk, dat de zeldzame aarde-ijzer legering 15 tot 30$ borium bevat. 5» Geheugeninrichting volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de zeldzame aarde-ijzer legering een samenstelling heeft die voldoet aan de formule :

10. J(ZA Gd- Fe, 1 B v y 1-y x 1-x J 1-x z waarbij ZA is tenminste één representant van de groep Ho, Dy, Tb en 0,2 0,3 0 y % 1 15 0,152^0,3 6. ¥ërkwijze voor het vervaardigen van een informatie drager volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat een substraat met een glad oppervlak wordt verschaft op welk oppervlak met behulp van een atomaire opbrengtechniek de 20 elementen Gd, Fe, B en Ho, Dy en/of Tb worden afgezet bij een temperatuur die ligt beneden de kristallisatietempera-tuur van de resulterende samenstelling. 25 3° 35 790 0 8 21