JP4102280B2

JP4102280B2 - スピン分極電子を用いた磁性媒体及び磁性媒体への情報記録装置及び記録方法

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Publication number: JP4102280B2
Application number: JP2003353048A
Authority: JP
Inventors: 成棟金
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2002-10-14
Filing date: 2003-10-14
Publication date: 2008-06-18
Anticipated expiration: 2023-10-14
Also published as: US8553517B2; US20040165482A1; JP2004134079A

Description

本発明は磁性媒体及び磁性媒体への情報記録装置及び記録方法に係り、より詳しくはスピン依存電子散乱を利用する磁性媒体及びその磁性媒体に情報を記録する情報記録装置及び記録方法に関する。

従来の情報貯蔵機器において、磁性媒体を記録媒体として使用する場合、磁場による磁化反転を生じさせることにより情報を記録している。だが、従来の情報貯蔵機器では記録密度が高まるにつれて情報記録の最小単位であるビットのサイズが小さくなり、これにより情報を記録するための磁場もビットのサイズに対応する狭い領域に集束するように小さくならなければならない。しかし、皮肉なことに、磁性層の磁気異方性のサイズが広くなることにより磁性層の磁化反転に必要な磁場の強度も強くならなければならない。

こうした従来技術の技術的な問題点を克服するために、特許文献１ではスピン分極された電子を使用した情報貯蔵装置及び方法が提案されている。

図１は、前記特許文献１に開示された情報貯蔵装置の断面図である。
図１を参照すれば、前記米国特許に開示された情報貯蔵装置は、制御装置１と、チップ２ｂを有するスピン分極された電子ソース４０と、エキストラクタ４と、コリメータ６，７，９と、静電レンズ１０，１１，１２と、絶縁素子５，８とを備える。また、前記情報貯蔵装置は、ブランキング素子１３と、疎らで微細なマイクロ偏光器１４，１５と、電子検出器１６と、情報貯蔵層１７と、基板１８とを備える。

制御装置１は、ＡＤＤＲＥＳＳＩＮ、ＤＡＴＡＩＮ、ＤＡＴＡＯＵＴを通じて外部装置から制御信号及び情報を受信し、必要なプロトコルを用いて復号した後、制御応答及び情報を外部装置に返信する。

電子ソース４０はスピン分極された電子３を提供し、チップ２ｂはスピン分極された電子３を集束する。エキストラクタ４はスピン分極された電子３をチップ２ｂから抽出し、コリメータ６，７，９はスピン分極された電子３をスピン分極された電子ビーム１９に集束する。静電レンズ１０，１１，１２はスピン分極された電子ビーム１９をフォーカシングし、マイクロ偏向器１４，１５は、前記電子ビーム１９を、情報が貯蔵される情報貯蔵層１７の一部分内に生成される磁場に偏向させる。

情報貯蔵層１７は、複数の整列領域２２を含み、絶縁体２８により情報貯蔵層１７から絶縁される導電部材２７を備える。

制御装置１は、電子ソース４０に電圧Ｖ₁を印加し、また、スピン分極された電子３とスピン分極された電子ビーム１９の所望の特性を得るため、エキストラクタ４、コリメータ６，７，９にそれぞれ電圧Ｖ₂〜Ｖ₅を印加する。電圧Ｖ₆〜Ｖ₈は、それぞれ制御装置１により静電型レンズ１０，１１，１２に印加されてレンズ開口を通過する静電場を生成する。電圧Ｖ₁₂〜Ｖ₁₉は、制御装置１により非点収差補正（ｓｔｉｇｍａｔｏｒ）素子２５の一端に印加される。制御装置１は、信号Ｓ₁₉を電子ソース４０に印加して電子３のスピン分極方向を決定し、信号Ｓ₂〜Ｓ₉、Ｓ₁₀〜Ｓ₁₇を偏向器１４，１５に印加して電子ビーム１９を情報貯蔵層１７に向けて偏向させる。又、制御装置１は、信号Ｓ₁をブランキング素子１３に印加し、信号Ｓ₁₈、Ｓ₂₀を交互に検出して情報を読み取る。

前記特許文献１に開示された情報貯蔵装置は、電子ビームを特定の情報領域に集中させるために電圧を微細に調節しなければならない。微細な電圧の調節は容易ではなく、情報を記録した信号を精密に出力しにくく、このことは、情報再生を困難にする。又、従来の磁性媒体をそのまま用いるため磁性媒体の情報記録密度を高めるのに限界があり、装置の構成が複雑となる。
米国特許第６，３０４，４８１号明細書

本発明の目的は、一方向のスピンを有する電子を注入して情報が記録される高密度大容量の磁性媒体と、前記磁性媒体に一方向のスピンを有する電子を注入するプローブを用いて高速に情報を記録する情報記録装置及び情報記録方法を提供することである。

前記目的を達成するために本発明は、円偏光を照射する光源と、前記円偏光によりスピン分極された電子を磁性媒体に注入して記録層の磁化方向を変化させることによって情報を記録するプローブと、を備えることを特徴とする情報記録装置を提供する。
前記光源はレーザであることが望ましい。

前記目的を達成するために本発明は又、電子をスピン分極させる磁性膜で覆われたチップを備え、前記電子を磁性媒体に注入して記録層の磁化方向を変化させることによって情報を記録するプローブを備えることを特徴とする情報記録装置を提供する。

前記目的を達成するために本発明は又、電子をスピン分極させる分極層と、前記分極層によりスピン分極される電子のスピン分極方向によって磁化方向が変わる記録層を含む磁性媒体と、前記磁性媒体に情報を記録するプローブと、を備えることを特徴とする情報記録装置を提供する。

前記目的を達成するために本発明は又、電子をスピン分極させる分極層と、前記電子のスピン分極方向によって磁化方向が変わる記録層と、を含むことを特徴とする磁性媒体を提供する。

前記目的を達成するために本発明は又、プローブによって磁性媒体に注入される電子をスピン分極させる第１段階と、前記電子のスピン分極方向によって磁性媒体の記録層の磁化方向を変化させて情報を記録する第２段階と、を含むことを特徴とする情報記録方法を提供する。
前記プローブに円偏光を照射して電子をスピン分極させ、前記円偏光としてはレーザー光を用いることが望ましい。
前記プローブは、電子をスピン分極させる磁性膜で覆われたチップを有することが望ましい。

記録層及び分極層を有する磁性媒体と、前記磁性媒体上を移動して情報を記録するプローブを用意する第１段階と、電子を前記分極層によりスピン分極させた後、前記電子のスピン分極方向によって前記記録層の磁化方向を変化させることによって情報を記録する第２段階と、を含むことを特徴とする情報記録方法を提供する。

前記プローブまたは磁性媒体を通じて電子が注入され得る。
前記記録層及び分極層は水平磁気異方性または垂直磁気異方性を有する。
前記記録層及び分極層は、ビットが連続的に配列された連続薄膜層であるか、あるいは全体または一部がパターニングされた薄膜層である。

前記記録層及び分極層は、ナノ粒子よりなる薄膜層であり得る。
前記記録層及び分極層は界面に電子がトンネリングするオキシド層をさらに形成するか、それぞれの表面に電子がトンネリングするオキシド層をさらに形成ししてもよい。
前記記録層及び分極層は界面に金属層をさらに形成し得る。

本発明はスピン分極された電子のスピン運動量又はスピン−スピントルクに依存して磁化方向が変わる磁性記録層を有する磁性媒体と、磁性媒体に一方向のスピンを有する電子を注入することにより簡単な構成のため情報を高速記録できる情報記録装置及び情報記録方法を提供する。

本発明に係る磁性媒体及び磁性媒体を記録する情報記録装置及び記録方法の長所は、電流をスピン分極させて磁性記録層の磁化方向を変化させることにより、高速に磁性媒体に情報を記録できる。

以下、本発明の実施形態による磁性媒体及び情報記録装置及び情報記録方法を図面を参照して詳細に説明する。

図２は、本発明の第１実施形態による情報記録装置を簡略に示した構成図である。
図２を参照すれば、本発明の第１実施形態による情報記録装置は、基板１１５ｂと、基板１１５ｂの上面に積層された磁性記録層１１５ａを有する磁性媒体１１５と、チップ１１１ａ及びチップ１１１ａが一端に位置するカンチレバー１１１ｂを備えるプローブ１１１と、プローブ１１１及び磁性媒体１１５と電気的に接触し、プローブ１１１に電流を印加する制御部１１７とを含む。

磁性媒体１１５の磁性記録層１１５ａに情報を記録するため、プローブ１１１を磁性記録層１１５ａに接触させ、制御部１１７からチップ１１１ａに電圧を印加する。これと同時にプローブ１１１の上部に位置する光源１１３から左円偏光光又は右円偏光光を照射すればチップ１１１ａで励起された電子は偏光により一方向にスピン分極される。スピン分極された電子はチップ１１１ａから放出されて磁性記録層１１５ａに注入される。各電子のスピン運動量またはスピン−スピントルクは、磁性記録層１１５ａのビットに伝達されてビットの磁化方向を変化させる。

チップ１１１ａとしては一般の半導体チップや伝導性金属より成るチップを用いることができる。カンチレバー１１１ｂは、制御部１１７から印加される信号に応じてチップ１１１ａの位置を移動させる役割を果たす。制御部１１７にはカンチレバー１１１ｂの位置制御と電流量の調節のための一般的な回路が設けられる。

磁性記録層１１５ａは、水平磁気異方性又は垂直磁気異方性を有する強磁性物質で形成されていてもよいし、連続的な薄膜層又はナノ粒子で形成されたビットを有する薄膜層で形成されていてもよい。磁性記録層１１５ａは全体又は一部がパターニングされていてもよい。基板１１５ｂと磁性記録層１１５ａとの間には磁化方向が一方向に固定された磁性層をさらに備えることもある。

光源１１３としてはレーザを用いることができるが、さらに円偏光光を照射するため光源１１３は偏光器を備える。円偏光光の方向により電流がスピン分極され、スピン分極方向により磁性記録層１１５ａの磁化方向が変化する。

図３は、本発明の第２実施形態による情報記録装置及び方法を示した図面である。
図３を参照すれば、本発明の第２実施形態による情報記録装置は、プローブ１２１と、磁性媒体１２５と、制御部１２７とを備える。プローブ１２１は、一方向の磁化方向を有する磁性膜１２３で覆われたチップ１２１ａを有する。磁性媒体１２５は、磁性記録層１２５ａを有する。磁性膜１２３によって一方向にスピン分極された電子が、プローブ１２１から磁性媒体１２５に導入されると、プローブ１２１と接触している磁器記録層１２５ａのビットの磁化方向が電子のスピン分極方向に整列される。制御部１２７は、プローブ１２１に電流を印加してプローブ１２１に電子を導入する。即ち、スピン分極された電子は、磁性記録層１２５ａにスピン運動量またはスピン−スピントルクを伝達することにより磁性記録層１２５ａの磁化方向を変化させる。ここで、磁性媒体１２５は、一般的に使用される磁性媒体を用いるか、その外磁性層を磁性記録層とする多様な磁性媒体を全て用いることができる。図面で磁性記録層１２５ａはナノ粒子より成るビットを有していてもよい。

図４Ａは、本発明の第１実施形態による磁性媒体及び本発明の第３実施形態による情報記録装置を示した図面である。
図４Ａを参照すれば、本発明の第１実施形態による磁性媒体１３５は、基板１３５ｂと、基板１３５ｂの上面に積層される磁性記録層１３５ａと、磁性記録層１３５ａの上面に位置する分極層１３４とを備える。分極層１３４は一方向の磁化方向を有する磁性層であり、プローブ１３１から注入される電子を同一方向にスピン分極させて、そのスピン分極された電子を磁性記録層１３５ａに伝達させる。磁性記録層１３５ａは、ビットが連続的に配列された連続薄膜層であるか、または全体又は一部がパターニングされた連続薄膜層である。ビットは、ナノ粒子で形成され、分極層によってスピン分極された電子のスピン分極方向によってビットの磁化方向が変化することにより磁性記録層１３５ａに情報が記録される。

本発明の第３実施形態による情報記録装置は、磁性媒体１３５に情報を記録するため、磁性媒体１３５に加えて、プローブ１３１と制御部１３７とを備える。プローブ１３１は、一般的な導電性チップ１３１ａと、チップ１３１ａを一端に付着するカンチレバー１３１ｂを備える。制御部１３７は、プローブ１３１に電流を印加し、磁性媒体１３５の記録層１３５ａの個々のビットに情報を記録するためにカンチレバー１３１ｂを分極層１３４の上をＸ軸またはＹ軸方向に移動させる。チップ１３１ａから磁性媒体１３５を通過して制御部１３７を亙る回路が形成され、チップ１３１ａを通じて磁性媒体１３５に電子が注入される。注入された電子は磁性媒体１３５の分極層１３４を通じてスピン分極され、電子のスピン分極方向によって記録層１３５ａのビットの磁化方向が変化することによって情報が磁性記録層１３５ａに記録される。

分極層１３４と記録層１３５ａの磁化方向が相異なる場合、チップ１３１ａを通じて磁性媒体に電子を注入するが、注入された電子は分極層１３４を通過しつつ分極層１３４の分極方向によってスピン分極され、この電子のスピン分極方向によって記録層１３５ａのビットの磁化方向が変わることによって情報が記録される。分極層１３４と記録層１３５ａとの磁化方向が同じ場合、基板１３５ｂを通じて磁性媒体１３５に電子を注入する。注入された電子のうち分極層１３４と同じスピン方向を有する電子は記録層１３５ａ及び分極層１３４を通過するが、相異なるスピン方向を有する電子は分極層１３４から回帰して記録層１３５ａに戻り、回帰した電子のスピン分極方向によって記録層１３５ａのビットの磁化方向が変わることによって情報が記録される。

図４Ｂは、本発明の第２実施形態に係る磁性媒体とそれに情報を記録する本発明の第４実施形態に係る情報記録装置を示す図面である。
この情報記録装置は、磁性媒体１４５に情報を記録する。
図４Ｂに示された本発明の第２実施形態に係る磁性媒体は、図４Ａに示された本発明の第１実施形態に係る磁性媒体１３５とは違って分極層１４４と記録層１４５ａの位置が逆転されている。すなわち、基板１４５ｂの上面に分極層１４４が積層され、その上部に記録層１４５ａが位置する。この逆転構造において、電子は、前記磁性媒体１３５における電子の注入方向と逆の方向に注入される。磁性媒体１４５に電子を注入するプローブ１４１と、プローブ１４１に電流を印加する制御部１４７として、図４Ａに示されたプローブ１３１及び制御部１３７と類似した導電性プローブと制御回路とを利用できる。参照符号１４１ａはチップを、１４１ｂはチップ１４１ａを支持するカンチレバーを示す。

分極層１４４と記録層１４５ａの磁化方向が同じ場合にはチップ１４１ａを通じて電子を注入する。注入された電子のうち分極層１４４と同じスピン分極方向を有する電子は分極層１４４と記録層１４５ａとを通過するが、相異なるスピン方向を有する電子は分極層１４４から回帰して記録層１４５ａに戻り、記録層１４５ａの磁化方向を変化させて情報を記録する。分極層１４４及び記録層１４５ａの磁化方向が相異なる場合、基板１４５ｂを通じて電子を注入する。基板１４５ｂを通過した電子は分極層１４４を通過しつつスピン分極されてプローブ１４１が接触している磁性記録層１４５ａのビットの磁化方向を電子のスピン分極方向と同一に整列させる。

本発明の第３実施形態及び第４実施形態に係る情報記録装置は、本発明の第１及び第２実施形態に係る磁性媒体から情報を再生するために導電性プローブ１３１、１４１を備え、分極層１３４，１４４と記録層１３５ａ、１４５ａの配置によって相異なる方向に電子を注入することによって磁性媒体１３５，１４５に情報を記録する。

本発明は電子を一方向にスピン分極させる光源、プローブまたは分極層を備え、磁性記録層の磁化方向を調節することによって高速に情報を記録し得る。

前記の説明で多くの事項が具体的に記載されているが、それらは発明の範囲を限定するものであるより、望ましい実施形態の例示として解釈しなければならない。従って、本発明の範囲は説明された実施形態により決められることではなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想により決められなければならない。

本発明は高速で磁性媒体に情報を記録すべき情報貯蔵機器などに効率よく適用可能である。

特許文献１に開示された情報貯蔵装置を示した図面である。本発明の第１実施形態による情報記録装置を簡略に示した構成図である。本発明の第２実施形態による情報記録装置を簡略に示した構成図である。本発明の第１実施形態による磁性媒体及びこれに情報を記録する本発明の第３実施形態による情報記録装置を簡略に示した構成図である。本発明の第２実施形態による磁性媒体及びこれに情報を記録する本発明の第４実施形態による情報記録装置を簡略に示した構成図である。

符号の説明

１１１プローブ
１１１ａチップ
１１１ｂカンチレバー
１１３光源
１１５磁性媒体
１１５ａ磁性記録層
１１５ｂ基板
１１７制御部

Claims

電子をスピン分極させる分極層と、前記分極層によりスピン分極される電子のスピン分極方向によって磁化方向が変わる磁性記録層とを含み、前記磁性記録層及び分極層は界面に電子がトンネリングするオキシド層を備え、前記分極層はその表面に電子がトンネリングするオキシド層を備え、さらに、前記磁性記録層は表面に電子がトンネリングするオキシド層をさらに備える磁性媒体と、
前記磁性媒体に情報を記録するプローブと、を備えることを特徴とする情報記録装置。
前記プローブは前記磁性媒体に電子を注入することを特徴とする請求項１に記載の情報記録装置。
前記磁性媒体は外部電源により電子が注入されることを特徴とする請求項１に記載の情報記録装置。
前記磁性記録層及び分極層は水平磁気異方性または垂直磁気異方性を有することを特徴とする請求項１に記載の情報記録装置。
前記磁性記録層及び分極層は連続薄膜層であることを特徴とする請求項１に記載の情報記録装置。
前記磁性記録層及び分極層は薄膜層の全体または一部がパターニングされたことを特徴とする請求項１に記載の情報記録装置。
前記磁性記録層及び分極層はナノ粒子よりなる薄膜層であることを特徴とする請求項１に記載の情報記録装置。
前記磁性記録層及び分極層は界面に金属層をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の情報記録装置。
電子をスピン分極させる分極層と、
前記電子のスピン分極方向によって磁化方向が変わる磁性記録層とを含み、前記磁性記録層及び分極層は界面に電子がトンネリングするオキシド層を備え、前記分極層はその表面に電子がトンネリングするオキシド層を備え、さらに、前記磁性記録層は表面に電子がトンネリングするオキシド層をさらに備えることを特徴とする磁性媒体。
前記磁性記録層及び分極層は水平磁気異方性または垂直磁気異方性を有することを特徴とする請求項９に記載の磁性媒体。
前記磁性記録層及び分極層は連続薄膜層であることを特徴とする請求項９に記載の磁性媒体。
前記磁性記録層及び分極層は薄膜層の全体または一部がパターニングされたことを特徴とする請求項９に記載の磁性媒体。
前記磁性記録層及び分極層はナノ粒子よりなる薄膜層であることを特徴とする請求項９に記載の磁性媒体。
前記磁性記録層及び分極層は界面に金属層をさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の磁性媒体。
電子をスピン分極させる分極層と、前記電子のスピン分極方向によって磁化方向が変わる磁性記録層とを含み、前記磁性記録層及び分極層は界面に電子がトンネリングするオキシド層を備え、前記分極層はその表面に電子がトンネリングするオキシド層を備え、さらに、前記磁性記録層は表面に電子がトンネリングするオキシド層をさらに備える磁性媒体と、前記磁性媒体上を移動して情報を記録するプローブを用意する第１段階と、
前記電子を前記分極層によりスピン分極させた後、前記電子のスピン分極方向によって前記記録層の磁化方向を変化させることによって情報を記録する第２段階と、を含むことを特徴とする情報記録方法。
前記電子はプローブを通じて注入されることを特徴とする請求項１５に記載の情報記録方法。
前記電子は磁性媒体を通じて注入されることを特徴とする請求項１５に記載の情報記録方法。
前記磁性記録層及び分極層は水平磁気異方性または垂直磁気異方性を有することを特徴とする請求項１５に記載の情報記録方法。
前記磁性記録層及び分極層は連続薄膜層であることを特徴とする請求項１５に記載の情報記録方法。
前記磁性記録層及び分極層は薄膜層を全体または一部をパターニングして形成されていることを特徴とする請求項１５に記載の情報記録方法。
前記磁性記録層及び分極層はナノ粒子よりなる薄膜層であることを特徴とする請求項１５に記載の情報記録方法。
前記磁性記録層及び分極層はその界面に金属層がさらに形成されていることを特徴とする請求項１５に記載の情報記録方法。