NL8600647A

NL8600647A - Magneto-optisch registratie-element en een magneto-optische registratie-inrichting.

Info

Publication number: NL8600647A
Application number: NL8600647A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1986-03-13
Filing date: 1986-03-13
Publication date: 1987-10-01
Also published as: EP0240046B1; EP0240046A1; DE3772604D1; JPS62223840A; US4710431A

Description

PHN 11.678 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken fce Eindhoven

Magneto-optisch registratie-element en een magneto-optische registratie-inrichting.

De uitvinding heeft betrekking op een magneto-optisch registratie-element dat een substraat bevat en een daarop aangebrachte dunne registratielaag van een legering van een zeldzame-aardmetaal, een overgangsmetaal en borium, waarbij de legering een intrinsieke, 5 uniaxiale anisotropie van magnetisatie heeft en een gemakkelijke as van magnetisatie die loodrecht of nagenoeg loodrecht op het vlak van de laag staat.

Een zodanig optisch registratie-element is bekend uit de gepubliceerde Nederlandse octrooiaanvrage nr. 7900921 ten name van 10 Aanvrager.

In het bekende registratie-element wordt een amorfe registratielaag toegepast die een relatief hoog gehalte van 15-30 at Λ van het element borium bevat. Het gehalte van het overgangsmetaal, in het bizonder Fe, bedraagt ongeveer 50-70 at.’i. Het zeldzame aardmetaal, 15 in het bijzonder Gd, is aanwezig in een hoeveelheid van 14-26 at.%.

Volgens de'bovengenoemde Nederlandse octrooiaanvrage biedt de toevoeging van B het voordeel dat de legering bij een hogere temperatuur, die boven de Curietemperatuur ligt, kristalliseert.

Hiermede wordt de stabiliteit van de registratielaag vergroot en met 20 name wordt een grotere weerstand tegen irreversibele structuurveranderingen verkregen die de magnetische eigenschappen van de laag veranderen.

Alhoewel dit voordeel de praktische bruikbaarheid van het registratie-element mogelijk maakt, moet toch worden bedacht dat een 25 amorfe laag van nature een instabiele laag is. Wanneer hoge eisen worden gesteld aan een langdurige houdbaarheid en een lange gebruiksperiode van het registratie-element, voldoet het bekende element niet geheel. Op de lange duur ontstaan toch structuurveranderingen in de amorfe laag vooral als gevolg van het steeds maar weer plaatselijk opwarmen tot de 30 Curietemperatuur.

Een ander beswaar is dat de amorfe laag van het bekende registratie-element nogal gevoelig is voor oxydatie. Ook hierdoor wordt · U A ψ , · 'j —r 3

a. 'J ~ -* ^ S

« z κ ΡΗΝ 11.678 2 de levensduur van het element ongunstig beïnvloed.

De uitvinding beoogt een magneto-optisch registratie element te verschaffen dat de hierboven genoemde nadelen niet bezit. Volgens een doelstelling van de uitvinding wordt een 5 magneto-optisch registratie-element verschaft dat gedurende vele jaren houdbaar is en bruikbaar blijft. In het bijzonder treden geen hinderlijke structuurveranderingen op in de registratielaag.

Een andere doelstelling volgens de uitvinding is dat de registratielaag van het magneto-optische element een grote polaire Kerr 10 draaiing vertoont, dus een grote 0k. Deze grootheid, zoals onderstaand nader zal worden toegelicht, is van essentieel belang voor de werking van het magneto-optisch element. Het uitleesproces is hierop gebaseerd. Een grote Kerr draaiing draagt bij tot een grote signaal-ruisverhouding bij uitlezing van de geregistreerde informatie. Een grote signaal-15 ruisverhouding van bijvoorbeeld 50 dB en hoger maakt het mogelijk om video(beeld)informatie te registreren en uit te lezen.

Nog een doelstelling is dat de registratielaag van het magneto-optische element een gunstige ellipticiteit ( vertoont omdat de grootte van het gemeten signaal niet alleen van de Kerr rotatie 20 afhangt maar ook evenredig is met de ellipticiteit volgens de formule

De grootte van de Kerr rotatie is voorts afhankelijk van de golflengte van het licht dat bij het uitleesproces wordt toegepast. Een verdere doelstelling volgens de uitvinding is een 25 magneto-optisch registratie-element te verschaffen waarvan de registratielaag een zeer goede Kerr rotatie bewerkstelligt van licht afkomstig van een AlGaAs laser. Deze laser, ook wel halfgeleider laser genoemd, heeft een emissiegolflengte van ongeveer 870 nm. De halfgeleider laser heeft geringe afmetingen en kan daarom gemakkelijk en 30 met voordeel worden ingebouwd in de apparatuur benodigd voor de praktische toepassing van een magneto-optisch registratie-element.

Deze doelstellingen worden volgens de uitvinding bereikt met een magneto-optisch registratie-element van het in de aanhef genoemde type dat hierdoor is gekenmerkt, dat de registratielaag een 35 kristallijne laag is van een verbinding die beantwoordt aan de formule r2t14b waarin R een zeldzame-aardmetaal is, of een combinatie van twee of meer ^ /ft - y , ^ 4 v'i '*\ · . : / . .J v *·„ - FHN 11.578 3 ift * zeldzame-aardmetalen, en T een overgangsmetaal is, in het bijzonder Fe of Co. Als T het metaal Fe of Co voorstelt kan maximaal 50 at.% hiervan vervangen zijn door een ander d-overgangsmetaal, in het bijzonder door Ni, Cr, Ru of Mn.

5 In een gunstige uitvoeringsvorm van het registratie- element volgens de uitvinding beantwoordt de. verbinding aan de formule R'^Fe^B, waarin R' een zeldsame-aardmetaal is of een combinatie van zeldzame-aardmetalen gekozen uit de groep bestaande uit Nd, Lu, Gd,

Ce en Ia.

10 In een verdere gunstige uitvoeringsvorm beantwoordt de verbinding aan de formule Nd2Fe14B.

In het magneto-optisch registratie-element volgens de uitvinding wordt binaire (digitale) informatie ingeschreven langs thermomagnetische weg. Hiertoe wordt de registratielaag belicht met een 15 op de laag gefocusseerde, lineair gepolariseerde lichtbundel, bij voorkeur afkomstig van een AlGaAs laser. De lichtbundel is gepulseerd conform de te registreren informatie. De pulstijd is gering en bedraagt bijvoorbeeld van 50-500 ns. Het vermogen van de laser is bijvoorbeeld van 0,5 - 5 mW. Op de belichte plaatsen wordt de registratielaag 20 opgewarmd tot de Cürietemperatuur. Bij afkoeling wordt de magnetisatierichting van de verwarmde plaats omgekeerd onder invloed van de magnetische stoorvelden van naburige, niet verwarmde gebieden van de registratielaag. De omkering van de magnetisatierichting kan ook worden bewerkstelligd door een uitwendig magnetisch veld dat tegengesteld 25 gericht is aan het veld waarin zich de registratielaag bevindt. De gebiedjes (info-bits) van tegengestelde magnetisatierichting hebben geringe afmetingen van bijvoorbeeld 0,5 - 5 pm.

De belichting wordt bij voorkeur via het substraat uitgevoerd. In dat geval moet het substraat transparant zijn voor 30 de toegepaste lichtbundel. Hiermede wordt bereikt dat eventueel aanwezige stofdeeltjes of andere verontreinigingen op het oppervlak van het substraat de kwaliteit van het inschrijven en ook van het uitlezen niet nadeling beïnvloeden omdat deze verontreinigingen buiten de scherptediepte vallen van het objectief waarmede de lichtbundel op de 35 registratielaag wordt gefocusseerd. Het transparante substraat is bijvoorbeeld vervaardigd uit glas, kwarts of een transparante kunststof zoals polycarbonaat of polymethylmethacryiaat. Het oppervlak van het —* =* - Λ ' *

- ' » J

ΡΗΝ 11.678 4 * κ 3 substraat, aan de zijde van de registratielaag, kan voorzien zijn van een optisch aftastbare groef, een zogenaamd servospoor, dat veelal spiraalvormig is. De groef kan voorzien zijn van een zogenaamde heading, dat zijn afwisselend op hoger en lager niveau gelegen info-gebiedjes die 5 optisch met behulp van laserlicht uitgelezen worden en informatie bevatten waarmede bijvoorbeeld het inschrijfproces wordt gestuurd. De magneto-optische registratie van informatie vindt bij voorkeur in de groef plaats.

De groef kan ook aangebracht zijn in een aparte op het 10 substraat aangebrachte kunststoflaag van bijvoorbeeld een met licht geharde laag van acrylzure esters. Over deze laag is dan de registratielaag aangebracht. De registratielaag kan met een beschermlaag van kunststof zijn afgedekt. Ook kunnen twee elementen volgens de uitvinding op elkaar worden gelijmd waarbij de registratielagen naar 15 elkaar toe zijn gericht.

De ingeschreven info-bits worden uitgelezen langs magneto-optische weg met behulp van een energetisch zwakke, continue, lineair gepolariseerde lichtbundel die op de registratielaag is gefocusseerd.

Ter plaatse van een info-bit wordt als gevolg van de magnetisatie het 20 polarisatievlak van de lichtbundel over een bepaalde hoek gedraaid wat met behulp van een detektor vastgesteld en gemeten kan worden. De draaiing van het polarisatievlak treedt zowel op bij een gereflecteerde lichtbundel, en wordt dan Kerr rotatie genoemd, als bij een doorgelaten lichtbundel wat bekend is als de Faraday rotatie. Het registratie-25 element volgens de uitvinding wordt bij voorkeur via het substraat in reflectie uitgelezen. De Kerr rotatie kan op twee manieren worden aangegeven. Men spreekt van een enkele Kerr rotatie indien gemeten wordt ten opzichte van een gebied dat geen magnetisatie heeft. Er is sprake van een dubbele Kerr rotatie indien gemeten wordt ten opzichte van een 30 gebied waarvan de magnetisatie een tegengesteld teken heeft, dat wil zeggen waarvan de magnetisatierichting over 180° is gedraaid.

De in het magneto-optisch registratie-element opgeslagen informatie kan worden gewist door de magnetisatierichting van de infogebiedjes om te keren tot de oorspronkelijke richting door 35 toepassing van een uitwendig magneetveld dat tegengesteld gericht is aan de magnetisatierichting van de infogebiedjes.

De volgens de uitvinding toegepaste kristallijne

O ^ f\ Λ A L 1 O 0 y 'J -J · J

e~ » PHN 11.678 5 registratielaag van R-jT^B wordt aangebracht door middel van een .... electroless depositieproces, in het bijzonder een opdampproces of sputterproces. Bij opdampen wordt een (ultra) hoog vacuum toegepast zoals een vacuum van 10 tot 10 torr waarbij de afzonderlijke 5 elementen in de gewenste verhouding op het substraatoppervlak worden gedeponeerd. Bij voorkeur wordt een sputterproces uitgevoerd met bijvoorbeeld het sputtergas argon. Tijdens de depositie kan een magneetveld worden toegepast met een veldsterkte van bijvoorbeeld 160 kA/m dat loodrecht staat op het vlak van depositie. Het substraat wordt 10 tijdens de depositie bij voorkeur op een verhoogde temperatuur gehouden.

Opgemerkt wordt dat het op zich bekend is uit bijvoorbeeld Paper 4 G-10, Int. Conf. on Magnetism, San Francisco August 26-30, 1985 by F.J. Cadieu c.s. om de verbinding Nd2Fe^B als permanent magneetmateriaal toe te passen in de vorm van een dunne 15 film. Uit Journal de Physique, Collogue C 6, 1985, pagina's 45-48 is de potentiële toepassing vermeld van verbindingen van de formule i^Fe^B voor magnetische registratie. Aan deze bekende toepassingen liggen geheel andere physische fenomenen en eigenschappen ten grondslag dan aan de hiervoor beschreven magneto-optische registratie. Belangrijke 20 factoren voor magneto-optische registratie zijn onder meer de

Curietemperatuur van het registratiemateriaal, de intrinsieke, uniaxiale anisotropie van het materiaal met een voorkeursrichting van magnetisatie die loodrecht staat op het depositievlak, de lichtabsorptiecoëfficiënt, de warmtegeleidingscoëfficiënt en de 25 soortelijke warmte van het materiaal, de verandering van de magnetisatierichting bij verwarming door middel van gepulseerd laserlicht, de grootte van het demagnetisatieveld en de door het materiaal veroorzaakte draaiing van het polarisatievlak van lineair gepolariseerd licht bij reflectie en transmissie (Kerr en Faraday 30 rotatie). Bij de bekende toepassingen spelen voornoemde fenomenen en eigenschappen geen rol, maar is bijvoorbeeld het energieprodukt van het materiaal, de BHmax, een zeer belangrijk gegeven. Hierin staat B voor de magnetische induktie en is H de sterkte van het magneetveld.

De uitvinding heeft voorts betrekking op een magneto-35 optische registratie-inrichting met een registratie-element welke voorzien is van een substraat en een daarop aangebrachte dunne registratielaag, inschrijf- en uitleesmiddelen die een stralingsbron 1 .. . ~ PHÏÏ 11.678 6 bevatten voor het verschaffen van een lineair gepolariseerde lichtbundel, middelen om de lichtbundel te focusseren op een gewenste plaats van de registratielaag en een detektor om de draaiing van het polarisatievlak van de lichtbundel te meten na reflectie tegen of 5 transmissie door de registratielaag, en met een magneetspoel voor het opwekken van een magneetveld dat loodrecht op de registratielaag staat, welke hierdoor gekenmerkt is dat de registratielaag een kristallijne laag is van een verbinding van de formule R2T143' waarin R een zeldzame-aardmetaal is of een combinatie van twee of meer zeldzame-10 aardmetalen, en T een overgangsmetaal, in het bizonder Fe of Co voorstelt.

De uitvinding wordt toegelicht met behulp van het volgende uitvoeringsvoorbeeld en aan de hand van de tekening, waarbij figuur 1 een dwarsdoorsnede weergeeft van een magneto-15 optisch registratie-element volgens de uitvinding, figuur 2 een grafische weergave is van de dubbele Kerr rotatie van de in het registratie-element toegepaste stoffen als functie van de golflengte van het toegepaste uitlees-laserlicht, en figuur 3 een schematische weergave is van een registratie-20 inrichting volgens de uitvinding.

Uitvoeringsvoorbeeld:

In figuur 1 is met het verwijzingscijfer 1 een substraatplaat van glas weergegeven die voorzien is van een laag 2 van een met licht geharde acrylaat kunststof waarin een spiraalvormige groef 25 3 is aangebracht. De groef kan worden voorzien van afwisselend op hoger en lager niveau gelegen informatiegebiedjes, de zogenaamde heading, die met laserlicht via substraatplaat 1 op basis van faseverschillen, in reflectie kunnen worden uitgelezen. Laag 2 is voorzien van een niet weergegeven, opgedampt laagje Si02. Hierover is een magneto-optische 30 laag 4 met de samenstelling ^2T14® aan9e^racht. Laag 4 is een polykristallijne laag aangebracht door een RF-sputterproces uitgevoerd in een argon atmosfeer bij 0,15 mm Hg, in aanwezigheid van een magnetisch veld dat loodrecht op het oppervlak van laag 4 staat. De dikte van laag 4 is ongeveer 150 nm. De voorkeursrichting van 35 magnetisatie van laag 4 staat loodrecht op het hoofdvlak van het substraat'1. Laag 4 is afgedekt met een beschermlaag 5 van kunststof.

In de groefdelen van laag 4 wordt informatie ingeschreven Γ1. % ‘ s

S1 ·. .. .: 4 v J

, * PHN 11.573 7 .•set behulp van gepulseerd laserlicht aangegeven met pijl 5, dat via substraatplaat 1 op registratielaag 4 is gefocusseerd. De pulstijd bedraagt 100 ns. Het laserlicht is afkomstig van een AlGaAs laser met een emissiegolflengte van 370 nm. Tijdens de belichting wordt een extern 5 magnetisch veld aangelegd dat tegengesteld gericht is aan de magnetisatierichting van laag 4. Op de belichte en daarbij tot de Curietemperatuur verwarmde plekken 7 van laag 4 vindt een omkering van de magnetisatierichting plaats. De aldus verkregen informatiebits hebben een diametrale afmeting van omstreeks 1 pm. De informatiebits worden 10 uitgelezen met zwak laserlicht dat lineair is gepolariseerd. Het licht wordt via substraatplaat 1 op de registratielaag 4 gefocusseerd. Bij reflectie tegen een informatiebit vindt een rotatie van het polarisatievlak plaats (Kerr rotatie) die met een detector (zie figuur 3) wordt gemeten. De informatiebits 7 kunnen worden gewist met een 15 extern magneetveld dat tegengesteld gericht is aan de magnetisatierichting van de informatiebit.

De magneto-optische eigenschappen van een aantal polykristallijne lagen van verbindingen die beantwoorden aan de formule R2T.j4B zijn gemeten en weergegeven in de onderstaande tabel. Hierin 20 is λ de golflengte van het uitleeslaserlicht opgegeven in nm; 2qh, is de dubbele Kerr rotatie opgegeven in graden (degr) en gemeten in een veld van 925 kA/m bij de eerste negatieve piek in het rotatiespectrum; fFs is ie botale magnetisatie gemeten in een veld van 925 kA/m; is de 3d-subrooster magnetisatie en is de gereduceerde Kerr 25 rotatie.

Tabel

Verbinding λ -2φ^ σ3 ~2®&/σ3ύ ί^Τ^Β (nm) (degr) (Am2kg ^)(Am kg "^(degr. kgA ”m ^) 30-------

La2?e14B 1150 0.76 115 115 0,66 x 10-2

Ce2Fe14B 1050 0.50 88 88 0,57 x 10~2 1M2Fe14B 1150 0.91 147 125 0,73 x 10'2

Gd2Fe14B 1150 0.57 76 115 0,58 x 10-2 35 Lu2Fel4B 1550 0.41 97 97 0,42 x 10“2

La2Co14B 1150 0.47 37 87 0,5.4 x IQ-2

Gd2Co14B 1050 0.53 35 87 0,67 x 10“2 f* r'' 1 ‘. 1 0U, V - * ' *s~ "w ?HN 11.678 8

In figuur 2 is op de verticale (Y) as de dubbele Kerr rotatie (2φ^) aangegeven, uitgedrukt in graden (degr) van een aantal kristallijne lagen van de formule R^Fe^B als functie van de golflengte (λ), uitgedrukt in nm. De Kerr rotatie is bij 5 kamertemperatuur gemeten in een magnetisch veld van 925 kA/m. De verschillende verbindingen van de formule RSFe^S zijn in de figuur aangeduid door opgave van het in de verbinding aanwezige zeldzame-aardmetaal. Uit de figuur blijkt dat de verbinding i^Fe^B de grootste negatieve enkele Kerr rotatie vertoont bij alle golflengten . 10 tussen 2600 en 260 nm. Uit de figuur kan tevens worden afgeleid dat de Kerr rotatie de hoogste waarden vertoont in een golflengtegebied van ongeveer 1600 nm tot 865 nm. Bij toepassing van een AlGaAs laser met een emissiegolflengte van 870 nm vertoont de Kerr rotatie een zeer goede waarde.

15 In figuur 3a is met het verwijzingscijfer 8 een AlGaAs laser weergegeven die een gepulseerde lichtbundel 9 levert met een golflengte van 870 nm. De lichtbundel 9 passeert een objectief 10 met een numerieke apertuur (NA) van 0,3 en wordt daarbij evenwijdig. Het astigmatisme van de evenwijdige laserbundel wordt gekorrigeerd door 20 passage van een cylinderlens 11. De evenwijdige bundel 12 doorloopt vervolgens een partieel doorlatende spiegel 13 en een polarisatiedeelkubus 14. Deze laat de evenwijdige polarisatiekomponent van het laserlicht door, terwijl de loodrechte komponent wordt gereflecteerd. Het doorgelaten, lineair gepolariseerde licht passeert 25 een Faraday rotator 15 die de polarisatierichting over een kleine hoek ( 728) draait (zie ook figuur 3b). Het lineair gepolariseerde licht wordt vervolgens door middel van een objectief 16 met een numerieke apertuur (NA) van 0,6 gefocusseerd op de registratielaag 17 van het magneto-optisch registratie-element 18. De registratielaag is een 30 kristallijne laag van een verbinding van de formule d^T^B. De registratielaag is aangebracht op een substraat 19 van kwarts. De belichting van de registratielaag vindt plaats via substraat 19. Op de belichte plaatsen vindt door lichtabsorptie een temperatuurverhoging plaats tot ongeveer de Curietemperatuur. Door toepassing van een 35 magneetveld met een sterkte van 4 x 10^ A/m opgewekt door spoel 20 wordt de magnetisatierichting van de registratielaag op een belichte plaats over 180° gedraaid. Bij uitlezing van de ingeschreven 8300347 PHN 11.673 9 informatie wordt een energetisch zwakke, kontinue lichtbundel toegepast afkomstig van de AlGaAs laser 8 die dezelfde lichtweg volgt als hierboven is beschreven en is weergegeven in figuur 3a. Bij reflectie van de lineair gepolariseerde lichtbundel tegen een informatiebit van de 5 registratielaag 17, wordt als gevolg van de lokaal veranderde magnetisatierichting, het polarisatievlak over een hoek (Kerr rotatie} gedraaid (zie figuur 3b). De gereflecteerde lichtbundel passeert wederom objectief 16, de Faraday rotator 15 en komt dan bij de polarisatiedeelkubus 14 waarbij de evenwijdige komponent wordt 10 doorgelaten. Na reflectie tegen de partieel doorlatende spiegel 13 wordt deze evenwijdige komponent 21 toegevoerd aan de regelinrichting 22 voor het positioneren en focusseren van de laserlichtbundel op de registratielaag 17 bij het inschrijven van informatie. De loodrechte lichtkomponent wordt door de polarisatiedeelkubus gereflecteerd. Via een 15 objectief 23 wordt de loodrechte komponent 24 gefocusseerd en opgevangen in een detector 25, in de vorm van bijvoorbeeld een lawinefotodiode. De in fig. 3b weergegeven amplitudefluctuatie (A~ - A+) ten gevolge van de polarisatievlakdraaiing (20^), levert na kwadratering het uitleessignaal op.

Λ ·* Λ ' , j ύ o v -j .. · ·

Claims

1. Magneto-optisch registratie-element dat een substraat bevat en een daarop aangebrachte dunne registratielaag van een legering van een zeldzame-aardmetaal, een overgangsmetaal en borium, waarbij de legering een intrinsieke, uniaxiale anisotropie van magnetisatie heeft 5 en een gemakkelijke as van magnetisatie die loodrecht of nagenoeg loodrecht op het vlak van de laag staat, met het kenmerk, dat de registratielaag een kristallijne laag is van een verbinding die beantwoordt aan de formule R2T14B 10 waarin R een zeldzame-aardmetaal is, of een combinatie van twee of meer zeIdzame-aardmetalen, en T een overgangsmetaal is, in het bijzonder Fc of Co.

2. , Magneto-optisch registratie-element volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de verbinding beantwoordt aan de formule

15 R' 2Fe .j4® waarin R' een zeldzame-aardmetaal is of een combinatie van zeldzame aardmetalen gekozen uit de groep bestaande uit Nd, Lu, Gd, Ce en La.

3. Magneto-optisch registratie-element volgens conclusie 1 en 2, met het kenmerk, dat de verbinding beantwoordt aan de formule

20 Nd2Fe14B.

4. Magneto-optische registratie-inrichting met een registratie-element welke voorzien is van een substraat en een daarop aangebrachte dunne registratielaag, inschrijf- en uitleesmiddelen die een stralingsbron bevatten voor het verschaffen van een lineair 25 gepolariseerde lichtbundel, middelen om de lichtbundel te focusseren op een gewenste plaats van de registratielaag en een detektor om de draaiing van het polarisatievlak van de lichtbundel te meten na reflectie tegen of transmissie door de registratielaag, en met een magneetspoel voor het opwekken van een magneetveld dat loodrecht op de 30 registratielaag staat, met het kenmerk, dat de registratielaag een kristallijne laag is van een verbinding van de formule R-^T^B waarin R een zeldzame-aardmetaal is of een combinatie van twee of meer zeldzame-aardmetalen en T een overgangsmetaal is, in het bijzonder Fe of Co. j*· ^ i.j · ; ; ·"» ^ I .wj. I ’ ’ : ^ i j 1 -·- V „ ·./ 'J *!> /