JP2673351B2 - Memory output device - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は非接触式で原子レベル、分子レベルのメモリ
ー出力が可能な装置に関するものである。 〔従来の技術〕 従来、メモリー出力装置はフロッピーディスク，磁気
テープ等の磁気記録媒体には磁気ヘッドが用いられ、光
ディスク，光磁気ディスク等の媒体には光学ヘッドが用
いられていた。 〔発明が解決しようとする問題点〕 しかし、これらの方法ではメモリー部に出力装置の一
部が物理的に接触する事によってメモリー部が長時間使
用に耐えられなかったり、単位メモリー部が一定の原子
数・分子数以上の構成要素から成っていないと出力でき
ないという問題点があった。 〔問題点を解決するための手段〕 そこでこの発明は、メモリー部に記録されている情報
を読み出すための出力部分を制御する手段を有し、この
制御手段によってメモリー部に記録されている情報を読
み出すメモリー出力装置において、制御手段が微細な先
端部を有する針状デバイスと、メモリー部の表面を前記
針状デバイスの先端部に接近させて位置づけさせるため
の手段と、針状デバイスの先端部がメモリー部の表面を
走査させるための手段と、針状デバイスの先端部とメモ
リー部の表面との間の距離を制御するための手段と、針
状デバイスの先端部とメモリー部の表面との間の状態変
化を検出するための手段を有するメモリー出力装置とし
た。また針状デバイスは１つあるいは多数の針で形成さ
れ、また半導体加工技術により形成した。 〔作用〕 上記のように構成されたメモリー出力装置を用いて、
先端部が原子１個から数十個という微細な針状デバイス
をメモリー部表面に、トンネル効果が生じる程度まで近
接させ針状デバイスの先端部とメモリー部の表面に流れ
るトンネル電流の変化を検出することによって、メモリ
ー部に保持された情報を読み出すものであり、このメモ
リー出力装置を用いることによって、従来は実現困難で
あった非接触で、かつ単位メモリー部が単原子あるいは
単分子レベルで保持された情報の出力が可能となる。ま
た針状デバイスを多数の針で形成し、各針でメモリー部
表面との距離あるいは各針に印加する電圧をそれぞれ独
立に制御することにより、並列出力あるいは広い範囲か
らの出力が可能となる。 〔実施例〕 以下に本発明の実施例を図面に基づいて説明する。 （実施例１） 第１図に本発明によるメモリー出力装置を示す。防震
台１上に乗せられた定盤２に固定されたアーム３に針状
デバイス操作部７が取り付けられており、ダイヤル６を
回すことにより、針状デバイス操作部７を垂直方向に移
動する事が可能であり、メモリー部５と針状デバイス８
のＺ軸方向の粗い位置決めを行うのに用いることができ
る。両内方向（Ｘ−Ｙ軸）の粗位置決め用としてＸ−Ｙ
ステージ３と粗動制御部11により制御を行う。また、取
り付けられている光学顕微鏡25は、針状デバイス８とメ
モリー部５との粗位置合わせの際に用いる事ができる。
両内方向の走査は針状デバイス操作部７内に組み込まれ
た三次元圧電素子をX,Y軸制御部13で制御することで行
う。メモリー部５と針状デバイスとの間に１〜100mVの
範囲の一定電圧を印加する事によってメモリーの入力を
行う。針状デバイスは導電性を有する単一、あるいは多
数の針で形成されるが、本実施例の針状デバイス８は半
導体基板上に導電性部と絶縁性部が交互に平面上に配置
しており、導電性部には先端が原子１個〜数個よりなる
導電性針が接続されている。この導電性針はエッチング
加工によって半導体基板上に成長させた導電性層を微細
化する事によって製造する事も可能である。粗動制御部
11,Z軸制御部12,XY軸制御部13はいずれもコンピュータ1
4により制御される。電源，制御部（11〜13），コンピ
ュータ14を除いた装置は、シールドボックス24内で設置
されている。 （実施例２） 本実施例では実施例１の装置を用いて、メモリー部５
として誘導体を用い、針状デバイス８の先端部として導
電性先端部を用いて出力したものについて述べる。第２
図は本実施例の装置の針状デバイス８の先端部とメモリ
ー部５の一部の拡大図である。メモリー部５は誘電体メ
モリー部の一部メモリー部（15〜18）より成り、これが
分極しているか、していないかによって情報を保持して
いる。このメモリー部５の表面にある誘電体分子の一つ
ずつに対して、針状デバイスの各々の導電性部上に接続
れれた微細な導電性先端部を近づけると、分極している
分子（15,17）に近づけた導電性先端部（81,83）にはト
ンネル効果により、より大きな電流が流れる。一方、分
極していない分子（16,18）に近づけた導電性先端部（8
0,82）には電流が流れにくい。次に、針状デバイス８を
XY平面状のＸ軸方向あるいはＹ軸方向に移動して同様に
トンネル電流を測定する。このようにして分子レベルの
メモリー出力が実現される。 （実施例３） 本実施例では実施例１の装置を用い、メモリー部５と
して多価元素原子を用い、針状デバイス８の先端部とし
て導電性先端部を用いて出力したものについて述べる。
第３図は本実施例の装置の針状デバイス８の先端部とメ
モリー部５の一部の拡大図である。メモリー部５の多価
元素原子は１原子の持つ電荷数の違いによって原子レベ
ルで情報を保持している。このメモリー部５表面にある
原子一つずつに対して、針状デバイスの各々の導電性部
上に接続された微細な導電性先端部を近づけると、多く
の電荷を持っている原子（26,28）に近づけた導電性先
端部（81,83）にはトンネル効果により、より大きな電
流が流れる。一方、少ない電荷を持っている原子（27,2
9）に近づけた導電性先端部（80,82）には電流は流れに
くい。次に針状デバイス８をXY平面上のＸ軸方向あるい
はＹ軸方向に移動して同様にトンネル電流を測定する。
このようにして原子レベルのメモリー出力が実現され
る。 （実施例４） 本実施例では実施例１の装置を用いて、メモリー部５
として人工超格子を用い、針状デバイス８の先端部とし
て導電性先端部を用いて出力したものについて述べる。
第５図は本実施例の装置の針状デバイス８の先端部とメ
モリー部５の一部の拡大図である。メモリー部５は種類
の異なる元素が配列する事によって原子レベルで情報が
保持されている。このメモリー部５表面に、針状デバイ
ス８の各々の導電性部上に接続された微細な導電性先端
部を近づけると、トンネル効果を測定することによって
大きな原子（31,33）と小さな原子（32,34）が区別でき
る。次に針状デバイスをXY平面上のＸ軸あるいはＹ軸方
向に移動して同様に情報が出力される。このようにして
原子レベルでのメモリー出力が実現される。 （実施例５） 本実施例では実施例１の装置を用い、メモリー部５に
人工超格子を用い、針状デバイス８の先端部として導電
性先端部を用いて出力したものについて述べる。第５図
は本実施例による装置の針状デバイス８の先端部とメモ
リー部５の一部の拡大図である。メモリー部５は導電性
元素が１〜数原子だけメモリー部表面より垂直方向の膜
厚が位置によって異なる事によって、原子レベルで情報
が保持されている。このメモリー部５表面に針状デバイ
ス８の各々の導電性部上に接続された微細な導電性先端
部を近づけると、トンネル効果によって膜厚の大きな部
分に近づけた導電性先端部（81,83）にはより大きなト
ンネル電流が流れ、膜厚の小さな部分に近づけた導電性
先端部（80,82）には電流が流れにくい。次に針状デバ
イス８をXY平面上のＸ軸あるいはＹ軸方向に移動し、上
と同様にトンネル効果を利用して情報を出力する。この
ようにして原子レベルでのメモリー出力が実現される。 （実施例６） 本実施例では実施例１の装置を用い、メモリー部５に
非共有電子軌道が異方性を持つ分子を用い、針状のデバ
イス８の先端部として導電性先端部を用いて出力したも
のについて述べる。第６図は本実施例による装置の針状
デバイス８の先端部とメモリー部５の一部と針状デバイ
ス８の一部の拡大図である。メモリー部５は非共有電子
軌道が異方性を持つ分子が、非共有電子軌道を外側に向
けているものと、非共有電子軌道を内側に向けているも
のの二種類ある事によって分子レベルで情報を保持して
いる。このメモリー部５表面に針状デバイス８の各々の
導電性部上に接続された微細な導電性先端部を近づける
と、非共有電子軌道を外側に向けている分子（36,38）
に近づけた導電性先端部（81,83）にはトンネル効果に
よって流れるトンネル電流は、間のポテンシャル障壁が
低いために大きい。一方、非共有電子軌道を内側に向け
ている分子（37,39）に近づけた導電性先端部（80,82）
に流れるトンネル電流は、ポテンシャル障壁が高いため
に、小さい。次に針状デバイス８をXY平面上のＸ軸ある
いはＹ軸方向に移動して、上と同様にトンネル効果を利
用する事によって分子レベルの情報を出力する。このよ
うにして分子レベルでのメモリー出力が実現される。 （実施例７） 本実施例では実施例１の装置を用い、メモリー部５と
して極性溶媒中に浸した極性物質を用い、針状デバイス
８の先端部として導電性先端部を用いて出力したものに
ついて述べる。メモリー部５の極性物質は電離している
ものと、していないものの二種類がある事によって、分
子レベルで情報を保持している。これに針状デバイス８
の各々の導電性部上に接続された微細な導電性先端部を
近づけると、極性物質が電離している場合と、していな
い場合では観測されるトンネルの電流の大きさが異な
る。次に針状デバイス８をXY平面上のＸ軸あるいはＹ軸
方向に移動し、同様にトンネル効果を利用する事によっ
て、分子レベルでのメモリー出力が可能になる。 〔発明の効果〕 本発明は以上説明したように、先端部が原子１個から
数十個という微細な針状デバイスを用いてメモリー部表
面に、トンネル効果が生じる程度まで近接させトンネル
電流の大小を検出することによって、メモリー部に保持
された情報例えば、誘電体の分極の有無、多価元素原子
の電荷数の違い、人工超格子の元素の種類、人工超格子
の膜厚の違い、非共有電子軌道が異方性を持つ分子の電
子軌道の向き、あるいは極性溶媒に浸した極性物質の電
離の有無を読み出すことができるものであり、このメモ
リー出力装置を用いることによって、従来は実現困難で
あった非接触で、かつ単位メモリー部が単原子あるいは
単分子レベルで保持された情報の出力が可能となった。
また針状デバイスを多数の針で形成し、各針とメモリー
部表面との距離あるいは各針に印加する電圧をそれぞれ
独立に制御することにより、並列出力あるいは広い範囲
からの出力が可能となる。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Field of Application] The present invention relates to a non-contact type device capable of outputting memory at the atomic level and the molecular level. [Prior Art] Conventionally, in a memory output device, a magnetic head has been used as a magnetic recording medium such as a floppy disk and a magnetic tape, and an optical head has been used as a medium such as an optical disk and a magneto-optical disk. [Problems to be Solved by the Invention] However, in these methods, the memory section cannot be used for a long time due to physical contact of a part of the output device with the memory section, or the unit memory section has a certain problem. There was a problem that it could not be output unless it consisted of more than the number of atoms and molecules. [Means for Solving the Problems] Therefore, the present invention has means for controlling an output portion for reading information recorded in the memory portion, and the information recorded in the memory portion is controlled by the control means. In the memory output device for reading, the control unit includes a needle-shaped device having a fine tip, a unit for positioning the surface of the memory unit close to the tip of the needle-shaped device, and a tip of the needle-shaped device. Means for scanning the surface of the memory section, means for controlling the distance between the tip of the needle-like device and the surface of the memory section, and between the tip of the needle-like device and the surface of the memory section. The memory output device has means for detecting the state change of the memory. The needle-like device is formed by one or many needles and is formed by semiconductor processing technology. [Operation] Using the memory output device configured as described above,
A fine needle-shaped device with 1 to several tens of atoms is brought close to the surface of the memory part to the extent that a tunnel effect occurs, and the change in tunnel current flowing between the tip of the needle-shaped device and the surface of the memory part is detected. The information output from the memory unit is read out by using this memory output device, and the unit memory unit can be held at the single atom or single molecule level without contact, which was difficult to achieve in the past. It is possible to output the information that has been obtained. Further, by forming the needle-like device with a large number of needles and independently controlling the distance from the surface of the memory section or the voltage applied to each needle by each needle, parallel output or output from a wide range is possible. Embodiment An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. (Embodiment 1) FIG. 1 shows a memory output device according to the present invention. A needle-shaped device operating unit 7 is attached to an arm 3 fixed to a surface plate 2 placed on the earthquake-proof table 1. By rotating a dial 6, the needle-shaped device operating unit 7 can be moved in the vertical direction. Memory device 5 and needle-shaped device 8
Can be used for coarse positioning in the Z-axis direction. XY for rough positioning in both inward directions (XY axis)
Control is performed by the stage 3 and the coarse motion control unit 11. Further, the attached optical microscope 25 can be used for rough alignment between the needle-shaped device 8 and the memory unit 5.
Scanning in both directions is performed by controlling the three-dimensional piezoelectric element incorporated in the needle-shaped device operating unit 7 by the X and Y axis control unit 13. The memory is input by applying a constant voltage in the range of 1 to 100 mV between the memory unit 5 and the needle-shaped device. The needle-shaped device is formed of single or multiple needles having conductivity. In the needle-shaped device 8 of this embodiment, conductive portions and insulating portions are alternately arranged on a plane on a semiconductor substrate. In addition, a conductive needle having one to several atoms at its tip is connected to the conductive portion. This conductive needle can also be manufactured by miniaturizing a conductive layer grown on a semiconductor substrate by etching. Coarse control unit
The 11, Z-axis control unit 12 and XY-axis control unit 13 are all computer 1
Controlled by 4. The devices other than the power supply, the control units (11 to 13) and the computer 14 are installed in the shield box 24. (Embodiment 2) In this embodiment, the memory unit 5 is used by using the device of Embodiment 1.
The output will be described using a derivative as the above and a conductive tip as the tip of the needle-shaped device 8. Second
The drawing is an enlarged view of the tip portion of the needle-shaped device 8 and a part of the memory portion 5 of the apparatus of this embodiment. The memory unit 5 is composed of a partial memory unit (15 to 18) of the dielectric memory unit, and holds information depending on whether it is polarized or not. When a fine conductive tip connected to each conductive portion of the needle-shaped device is brought close to each of the dielectric molecules on the surface of the memory portion 5, the polarized molecule (15 A larger current flows through the conductive tip (81, 83) closer to (17, 17) due to the tunnel effect. On the other hand, the conductive tip (8
It is difficult for current to flow in (0, 82). Next, the needle device 8
The tunnel current is similarly measured by moving in the X-axis direction or the Y-axis direction on the XY plane. In this way, molecular level memory output is realized. (Example 3) In this example, the apparatus of Example 1 is used, and a multivalent element atom is used as the memory unit 5 and a conductive tip is used as the tip of the needle-shaped device 8 to output data.
FIG. 3 is an enlarged view of a tip portion of the needle-shaped device 8 and a part of the memory portion 5 of the apparatus of this embodiment. The polyvalent element atom of the memory section 5 holds information at the atomic level due to the difference in the number of charges of one atom. When a fine conductive tip connected to each conductive portion of the needle-shaped device is brought close to each atom on the surface of the memory unit 5, atoms having many charges (26, A larger current flows due to the tunnel effect in the conductive tip (81, 83) that is close to 28). On the other hand, atoms with less charge (27,2
It is difficult for current to flow to the conductive tip (80, 82) that is close to 9). Next, the needle device 8 is moved in the X-axis direction or the Y-axis direction on the XY plane, and the tunnel current is similarly measured.
In this way, atomic level memory output is realized. (Embodiment 4) In this embodiment, the memory unit 5 is used by using the device of Embodiment 1.
The output will be described by using an artificial superlattice as an example and using a conductive tip as the tip of the needle-shaped device 8.
FIG. 5 is an enlarged view of the tip portion of the needle-shaped device 8 and a part of the memory portion 5 of the apparatus of this embodiment. The memory section 5 holds information at the atomic level by arranging different kinds of elements. When the fine conductive tips connected to the conductive portions of the needle-shaped device 8 are brought close to the surface of the memory portion 5, a large atom (31, 33) and a small atom ( 32, 34) can be distinguished. Next, the needle-like device is moved in the X-axis or Y-axis direction on the XY plane, and information is output in the same manner. In this way, memory output at the atomic level is realized. Example 5 In this example, the device of Example 1 is used, an artificial superlattice is used for the memory unit 5, and a conductive tip is used as the tip of the needle-shaped device 8 for output. FIG. 5 is an enlarged view of the tip portion of the needle-shaped device 8 and a part of the memory portion 5 of the device according to the present embodiment. In the memory portion 5, since the conductive element has one to several atoms, the thickness of the film in the vertical direction from the surface of the memory portion differs depending on the position, so that information is held at the atomic level. When the fine conductive tips connected to the respective conductive portions of the needle-shaped device 8 are brought close to the surface of the memory portion 5, the conductive tips (81,83 ), A larger tunnel current flows, and it is difficult for the current to flow to the conductive tip (80, 82) near the small thickness part. Next, the needle-shaped device 8 is moved in the X-axis or Y-axis direction on the XY plane, and information is output using the tunnel effect as in the above. In this way, memory output at the atomic level is realized. Example 6 In this example, the device of Example 1 is used, a molecule having a non-shared electron orbit is anisotropic is used for the memory unit 5, and a conductive tip is used as the tip of the needle-shaped device 8. The output is described below. FIG. 6 is an enlarged view of the tip portion of the needle-like device 8, a part of the memory portion 5 and a part of the needle-like device 8 of the apparatus according to the present embodiment. In the memory section 5, there are two types of molecules, in which the unshared electron orbital is anisotropic, the unshared electron orbital is directed to the outside, and the unshared electron orbital is directed to the inside. Holding When the fine conductive tips connected to the conductive portions of the needle-shaped device 8 are brought close to the surface of the memory portion 5, the molecules (36,38) whose non-shared electron orbits are directed outward
The tunnel current flowing through the conductive tip (81, 83) brought close to is large due to the low potential barrier between them. On the other hand, a conductive tip (80,82) that approaches a molecule (37,39) with unshared electron orbits pointing inward.
The tunneling current flowing through is small because the potential barrier is high. Next, the needle-shaped device 8 is moved in the X-axis or Y-axis direction on the XY plane, and the tunnel effect is used in the same manner as above to output molecular level information. In this way, the memory output at the molecular level is realized. (Embodiment 7) In this embodiment, the device of Embodiment 1 is used, a polar substance immersed in a polar solvent is used as the memory unit 5, and a conductive tip is used as the tip of the needle device 8 for output. I will describe. There are two types of polar substances in the memory unit 5, one that is ionized and the other that is not ionized, so that information is held at the molecular level. Needle-like device 8
When the fine conductive tips connected to the respective conductive portions are brought close to each other, the magnitude of the tunnel current observed differs depending on whether the polar substance is ionized or not. Next, the needle-shaped device 8 is moved in the X-axis or Y-axis direction on the XY plane, and the tunnel effect is used in the same manner, whereby the memory output at the molecular level becomes possible. [Effects of the Invention] As described above, the present invention uses a fine needle-shaped device having one atom to several tens of atoms at the tip to bring the memory part surface close to the extent to which a tunnel effect occurs, and the magnitude of the tunnel current. By detecting the information stored in the memory unit, for example, the presence or absence of polarization of the dielectric, the difference in the number of charges of polyvalent element atoms, the type of artificial superlattice element, the difference in the thickness of the artificial superlattice, It is possible to read the direction of the electron orbit of a molecule whose shared electron orbit has anisotropy, or the presence or absence of ionization of a polar substance immersed in a polar solvent. It was possible to output information, which was non-contact, and whose unit memory was held at the level of single atom or single molecule.
Further, by forming the needle-like device with a large number of needles and independently controlling the distance between each needle and the surface of the memory section or the voltage applied to each needle, parallel output or output from a wide range becomes possible.

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明によるメモリー出力装置の概略説明図で
あり、第２図〜第６図はそれぞれ実施例２〜実施例６に
よる装置の針状デバイスの先端部とメモリーの一部の拡
大平面図である。 ３……Ｘ−Ｙステージ ５……メモリー部 ６……ダイヤル ７……針状デバイス操作部 ８……針状デバイス 11……粗動制御部 12……Ｚ軸制御部 13……X,Y軸制御部 14……コンピュータBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic explanatory view of a memory output device according to the present invention, and FIGS. 2 to 6 show a tip of a needle-like device of the device according to Examples 2 to 6, respectively. FIG. 3 is an enlarged plan view of a part of the memory. 3 ... XY stage 5 ... Memory section 6 ... Dial 7 ... Needle-like device operation section 8 ... Needle-like device 11 ... Coarse movement control section 12 ... Z-axis control section 13 ... X, Y Axis control unit 14 ... Computer

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】 １．メモリー部に記録されている情報を読み出すための
出力部を制御する手段を有し、該制御手段によって前記
メモリー部に記録されている情報を読み出すメモリー出
力装置において、前記制御手段が、多数の導電性部とそ
れらの間に挟まった絶縁部よりなる微細な先端部を有す
る針状デバイスと、前記メモリー部の表面を前記針状デ
バイスの先端に接近させて位置づけさせるための手段
と、前記針状デバイスの先端部が前記メモリー部の表面
を走査させるための手段と、前記針状デバイスの先端部
と前記メモリー部の表面との間の距離を制御するための
手段と、前記針状デバイスの先端部と前記メモリー部の
表面との間の状態変化を検出するための手段を有する事
を特徴とするメモリー出力装置。 ２．前記距離を制御するための手段は、前記状態変化を
検出するための手段により前記メモリー部表面の状態を
検出するとき、前記メモリー部の表面と前記針状デバイ
スの先端部との距離を、前記針状デバイスの先端部と前
記メモリー部の表面の間にトンネル効果が生じる程度ま
で近接制御するものである事を特徴とする特許請求の範
囲第１項記載のメモリー出力装置。(57) [Claims] In a memory output device having means for controlling an output section for reading information recorded in the memory section, and for reading the information recorded in the memory section by the control section, the control section has a large number of conductive elements. Needle-shaped device having a fine tip portion composed of a flexible portion and an insulating portion sandwiched therebetween, means for positioning the surface of the memory portion close to the tip of the needle-shaped device, and the needle-shaped device Means for causing the tip of the device to scan the surface of the memory section; means for controlling the distance between the tip of the needle-like device and the surface of the memory section; and the tip of the needle-like device Output device having means for detecting a change in state between the surface of the memory part and the surface of the memory part. 2. The means for controlling the distance, when detecting the state of the memory unit surface by the means for detecting the state change, the distance between the surface of the memory unit and the tip of the needle-shaped device, The memory output device according to claim 1, wherein proximity control is performed to such an extent that a tunnel effect is generated between the tip portion of the needle-shaped device and the surface of the memory portion.