JPH10208208A - Minute magnetic device - Google Patents
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- H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
- H01F10/08—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers
Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、ＳＴＭ（走査トン
ネル顕微鏡）およびその周辺の原子レベルでの微細加工
技術や集積技術を用いて、固体表面上に原子サイズまで
小さい微小磁気デバイス装置を構成し、磁気ディスク装
置を構成する磁気記録ヘッドとして利用するものであ
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a micro magnetic device having a size as small as an atomic size on a solid surface by using STM (scanning tunneling microscope) and its peripheral microfabrication and integration technologies. Are used as magnetic recording heads constituting a magnetic disk drive.
【０００２】[0002]
【従来の技術】近年、磁気ディスク装置の小型化、高記
録密度化が急速に進んでおり、高記録密度化に対応し
て、微小サイズの磁気記録ヘッドが必要とされている。
現在、広く用いられている磁気ヘッドは電磁誘導形であ
り、主に Mn-Zn フェライト・コアの周りにCu などの導
体コイルを巻線として巻いた電磁石である。2. Description of the Related Art In recent years, miniaturization and high recording density of magnetic disk drives have been rapidly progressing, and a magnetic recording head of a minute size has been required in response to the high recording density.
Currently, magnetic heads widely used are of the electromagnetic induction type, and are mainly electromagnets formed by winding a conductor coil such as Cu around a Mn-Zn ferrite core.
【０００３】ここで記録方式としては、記録電流を導体
コイルに流したとき現れる誘導磁界によって、磁性記録
媒体に記録を書き込む方式を採用している。Here, as a recording method, a method of writing data on a magnetic recording medium by an induced magnetic field generated when a recording current is applied to a conductor coil is employed.
【０００４】ところが、磁気記録密度の高密度化に伴
い、磁気記録媒体の将来像としては数個から数百個の原
子からなる微小サイズの磁気クラスターが記録単位を担
うと予想される。しかし、従来の電磁誘導形磁気ヘッド
の書き込みサイズの最小限界は0.1 マイクロメータ程度
にあり、これ以下の空間サイズの微小な導体コイルを加
工・作製することは困難である。従って、電磁誘導形磁
気ヘッドでは、将来の高密度磁気記録媒体の記録単位で
ある個々の微小サイズ・磁気クラスターに対して磁気的
情報を記録することが非常に困難となる。[0004] However, as the magnetic recording density increases, it is expected that a minute size magnetic cluster composed of several to several hundred atoms will serve as a recording unit as a future image of the magnetic recording medium. However, the minimum limit of the writing size of the conventional electromagnetic induction type magnetic head is about 0.1 μm, and it is difficult to process and manufacture a minute conductor coil having a space size smaller than this. Therefore, it is very difficult for an electromagnetic induction type magnetic head to record magnetic information on individual minute-sized magnetic clusters, which are recording units of a future high-density magnetic recording medium.
【０００５】一方、原子サイズ・レベルを実現した非磁
気的な記録方式としては、例えばネイチャー 第344巻
（1990年）第524頁から第526頁 (Nature, Vol. 344 (19
90),pp. 524-526)に見られるように、ＳＴＭを用いて、
Ni 固体表面上に複数個以上のXe 原子を人工的に並べ、
原子１個１個を構成要素とした文字や図形を書く技術が
開発されている。On the other hand, as a non-magnetic recording method realizing an atomic size level, for example, Nature, Vol. 344 (1990), pp. 524 to 526 (Nature, Vol. 344 (19)
90), pp. 524-526), using STM,
Artificially arranged more than one Xe atom on Ni solid surface,
2. Description of the Related Art A technique for writing a character or a graphic with one atom as a constituent element has been developed.
【０００６】さらに、ＳＴＭによる微細加工技術の最近
の進歩によると、例えば、ジャパニーズ・ジャーナル・
アプライド・フィジックス・レターズ第35巻(1996年)の
第1085頁から第1088頁(Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 35
(1996) pp. L 1085-L 1088)に報告されているように、S
i 基板表面上に Ga 原子を１次元方向に並べることによ
り、導電性が期待できる構造安定な Ga原子細線を作製
することが可能となっている。Further, according to recent advances in microfabrication technology using STM, for example, Japanese Journal
Applied Physics Letters, Vol. 35 (1996), pp. 1085 to 1088 (Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 35
(1996) pp. L 1085-L 1088).
By arranging Ga atoms in a one-dimensional direction on the surface of the i-substrate, it is possible to fabricate structurally stable Ga atom wires with high conductivity.
【０００７】しかしながら、これらの極微細表面構造に
おいて強磁性機能すなわち自発磁化を引きだし、さらに
は強磁性（自発磁化が非ゼロの状態）／常磁性（自発磁
化がゼロの状態）のスイッチングを人工的に制御し、そ
れらを磁気記録ヘッドとして利用できる原子サイズの磁
気デバイスは、これまで実現されていないのが現状であ
る。とくに、原子操作技術を、積極的に磁気記録方式の
一部ないしは全体に応用した技術は存在しない。However, in these ultrafine surface structures, the ferromagnetic function, that is, spontaneous magnetization is extracted, and switching between ferromagnetic (state where spontaneous magnetization is non-zero) / paramagnetism (state where spontaneous magnetization is zero) is artificially performed. At present, an atomic-size magnetic device which can be used as a magnetic recording head has not been realized until now. In particular, there is no technology that actively applies atomic manipulation technology to part or all of the magnetic recording system.
【０００８】Fe, Co, Ni などの自発磁化が非ゼロであ
るバルク強磁性体を説明するためのモデルとして、スト
ーナー(Stoner)モデルがよく用いられている。物性科学
辞典（東京大学物性研究所編、東京書籍、１９９６年）
の第１９８頁から第２００頁に記載されているように、
このモデルでの強磁性発現の条件(ストーナー条件）
は、電子相関エネルギーあるいは電子間のクーロン斥力
をあらわすエネルギー Uとフェルミ準位での電子状態密
度 D(Ef)を用いて、U×D(Ef)>1 によって表される。従
って、ある物質が強磁性体であるには、フェルミ面上で
非常に大きな状態密度 D(Ef) をもつ必要がある。As a model for describing a bulk ferromagnetic material such as Fe, Co, and Ni having non-zero spontaneous magnetization, a Stoner model is often used. Condensed Matter Science Dictionary (The Institute of Condensed Matter, The University of Tokyo, Tokyo Book, 1996)
As described on pages 198-200 of
Conditions for ferromagnetic expression in this model (Stoner condition)
Is expressed as U × D (Ef)> 1 using the electron correlation energy or energy U, which represents the Coulomb repulsion between electrons, and the electron density of states D (Ef) at the Fermi level. Therefore, for a material to be ferromagnetic, it must have a very large density of states D (Ef) on the Fermi surface.
【０００９】しかし、Fe, Co, Ni など、バルクで上記
ストーナー条件を満たす強磁性体を用い、微小サイズの
原子クラスター系あるいは原子細線系を構成したとして
も、原子サイズと同様な空間サイズの小さな系では、有
限サイズ効果により状態密度D(Ef)が極端に低下するた
めストーナー条件が満たされなくなり、系の自発磁化は
消失する可能性がある。従って、原子サイズで強磁性を
得るには、必ずしもバルクで強磁性体となる物質群を用
いることは、適切ではないと言える。逆に、バルクでは
強磁性を示さない物質群であっても、ストーナー条件 U
×D(Ef)>1 を満足させるように原子を配列し構成すれ
ば、原子レベルで強磁性を発現させることができると期
待できる。However, even when a ferromagnetic material such as Fe, Co, and Ni that satisfies the above Stoner condition is used to form an atomic cluster system or an atomic wire system having a small size, a small space size similar to the atomic size is obtained. In the system, the density of states D (Ef) is extremely reduced due to the finite size effect, so that the Stoner condition is not satisfied, and the spontaneous magnetization of the system may disappear. Therefore, it can be said that it is not always appropriate to use a substance group that becomes a ferromagnetic material in bulk in order to obtain ferromagnetism in an atomic size. Conversely, even for a substance group that does not show ferromagnetism in bulk, the Stoner condition U
If the atoms are arranged and configured so as to satisfy × D (Ef)> 1, it can be expected that ferromagnetism can be expressed at the atomic level.
【００１０】例えば、グラファイトはバルクで自発磁化
を持たないにもかかわらず、ジャーナル・オブ・フィジ
カル・ソサエティ・オブ・ジャパン、６５巻（１９９６
年）、第１９２０頁から第１９２３頁において記載され
ているように、リボン状にしたグラファイトの端では原
子スケールで自発磁化が現れることが理論的に予言され
た。しかしながら、この炭素原子構造はまだ実際に合成
されるに至っていない。For example, despite the fact that graphite is bulk and has no spontaneous magnetization, Journal of Physical Society of Japan, Vol. 65 (1996)
As described in pages 1920 to 1923, it was theoretically predicted that spontaneous magnetization appears on the atomic scale at the end of the ribbon-shaped graphite. However, this carbon atom structure has not yet been actually synthesized.
【００１１】[0011]
【発明が解決しようとする課題】前述のように、ＳＴＭ
等による微細加工技術により、固体基板表面上に原子を
ある程度任意の位置に制御して配列させることが可能で
あるから、この原子操作技術を利用し、非磁性原子から
なる基板／表面原子の組み合わせにおいて、フェルミ準
位近傍に大きな電子状態密度をもつように表面原子を配
列・構成することができると期待される。さらには、人
工的かつ強制的に原子レベルの強磁性体としての機能を
引き出すことが期待できる。フェルミ準位は 通常の電
界効果型トランジスターと同様なゲート電極構造を付加
することにより、ゲート電圧 Vg 印加によりフェルミ準
位 Ef の高低を変化させることができる。従って、Vg
を変化させることにより、ストーナー条件 U×D(Ef)>1
を満足させ強磁性（磁化が非ゼロの状態）を得ること、
あるいは逆にストーナー条件を強制的に破り、系を常磁
性（磁化がゼロの状態）とするような変化を人工的に制
御することが可能となる。As described above, the STM
It is possible to control and arrange atoms on the surface of a solid substrate to a certain degree by microfabrication technology, etc. By using this atom manipulation technology, a substrate / surface atom combination consisting of non-magnetic atoms can be used. In, it is expected that surface atoms can be arranged and configured to have a large electronic state density near the Fermi level. Furthermore, it can be expected to artificially and forcibly extract the function as an atomic-level ferromagnetic material. The Fermi level can change the level of the Fermi level Ef by applying a gate voltage Vg by adding a gate electrode structure similar to that of a normal field-effect transistor. Therefore, Vg
, The Stoner condition U × D (Ef)> 1
To obtain ferromagnetism (non-zero magnetization),
Or, conversely, it is possible to artificially control the change that makes the system paramagnetic (the state of zero magnetization) by forcibly breaking the Stoner condition.
【００１２】すなわち、不変な原子構造において、電界
効果だけで磁化の大きさを人工的に制御が可能であると
期待される。That is, it is expected that the magnitude of magnetization can be artificially controlled only by the electric field effect in an invariant atomic structure.
【００１３】本発明の目的は、ＳＴＭ、リソグラフィー
等の微細加工技術により、非磁性の固体表面上に非磁性
原子から成る原子クラスターや原子細線を配列して構成
し、この極微小な表面構造に強磁性を人工的に発現させ
た微小磁性デバイスを提供することにある。An object of the present invention is to arrange an atomic cluster or atomic wire composed of non-magnetic atoms on a non-magnetic solid surface by using a fine processing technique such as STM or lithography, and to construct this extremely fine surface structure. An object of the present invention is to provide a micromagnetic device that artificially expresses ferromagnetism.
【００１４】本発明では、配列に用いる非磁性原子と
は、元素周期率表の中で、単体として強磁性を示す Cr,
Mn, Fe, Co, Ni、および ランタノイド系列にある Ce,
Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm 、さら
には不活性元素である He, Ne,Ar, Kr, Xe, Rh を除い
た元素群であると定義する。In the present invention, the non-magnetic atoms used in the arrangement include Cr, which shows ferromagnetism as a single substance in the periodic table of elements.
Mn, Fe, Co, Ni, and Ce in the lanthanoid series,
Defined as elements that exclude Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, and He, Ne, Ar, Kr, Xe, and Rh, which are inert elements. .
【００１５】[0015]
【課題を解決するための手段】ここでは、電磁誘導形磁
気ヘッドの電流印加による記録方式に対比して、固体表
面上の原子クラスターや原子細線からなる微小磁気ヘッ
ドの磁界を、固体表面に印加した電圧により制御する方
式をとる。Here, a magnetic field of a micro magnetic head consisting of atomic clusters and atomic wires on a solid surface is applied to a solid surface, in contrast to a recording method using current application of an electromagnetic induction type magnetic head. The system is controlled by the applied voltage.
【００１６】まず、非磁性の結晶基板表面上に、ＳＴＭ
等の微細加工技術を利用して、非磁性原子から構成され
る原子クラスターまたは原子細線を作製する。この場
合、表面構造の電子状態として、一部分または全体がほ
ぼ平坦であるようなエネルギーバンドがフェルミ準位近
傍に出現するように、原子を配列して構成する。このと
き、電子状態密度（ＤＯＳ）を電子エネルギー（Ｅ）の
関数として見ると、フェルミ準位近傍に鋭いピークが存
在することが特徴である。次に、基板の他の部分にゲー
ト電極部分を設ける。First, an STM is placed on a nonmagnetic crystal substrate surface.
Atomic clusters or atomic wires composed of non-magnetic atoms are produced using microfabrication techniques such as those described above. In this case, as the electronic state of the surface structure, atoms are arranged so that an energy band in which a part or the whole is almost flat appears near the Fermi level. At this time, when the electronic density of states (DOS) is viewed as a function of the electron energy (E), a feature is that a sharp peak exists near the Fermi level. Next, a gate electrode portion is provided in another portion of the substrate.
【００１７】このような構造において、ゲート電極部分
に電圧を印加することにより、原子クラスターまたは原
子細線を含む表面構造に電界をかける。このゲート電極
による電界効果を用いフェルミ準位を上下させることに
より、磁化を制御する。ここで、図１に示したように、
フェルミ準位がちょうど平坦バンド（ＤＯＳの鋭いピー
ク）を横切るとき、表面構造には強磁性（磁化）が発現
し、フェルミ準位が平坦バンド（ＤＯＳの鋭いピーク）
をはずれると強磁性（磁化）が失われ常磁性状態とな
る。こうして、電界効果により 強磁性（磁化）発現の
制御をすることが可能となる。In such a structure, an electric field is applied to the surface structure including the atomic clusters or the atomic wires by applying a voltage to the gate electrode portion. The magnetization is controlled by raising and lowering the Fermi level using the electric field effect of the gate electrode. Here, as shown in FIG.
When the Fermi level just crosses the flat band (sharp peak of DOS), ferromagnetic (magnetization) appears in the surface structure, and the Fermi level becomes flat band (sharp peak of DOS).
If it is deviated, the ferromagnetism (magnetization) is lost and the state becomes paramagnetic. Thus, it is possible to control the onset of ferromagnetism (magnetization) by the electric field effect.
【００１８】ここで、基板に配列させる原子は非磁性原
子であることを主要な特徴とするが、非磁性原子以外の
原子が不純物として含まれる場合でも、強磁性発現のス
トーナー条件が破れない限り、自発磁化は発現しうる。Here, the main feature is that the atoms to be arranged on the substrate are non-magnetic atoms. However, even if atoms other than non-magnetic atoms are contained as impurities, as long as the Stoner condition for ferromagnetic expression is not violated. In addition, spontaneous magnetization can occur.
【００１９】磁気記録ヘッドとしての動作は、ゲート電
圧の変化により、表面構造に人工的に強化を発現または
消去させて、磁気記録媒体の記録単位にビット情報（磁
化の向き）を書き込むことによる。The operation as a magnetic recording head is based on writing bit information (magnetization direction) in a recording unit of a magnetic recording medium by artificially developing or erasing the surface structure by changing the gate voltage.
【００２０】[0020]
（実施例１）図２は本発明に係る微小磁性デバイスの原
子配列構造を示すものである。本例では、同図（ａ）の
ように、非磁性のSi基板を用い、Si(100) 表面上の Si
原子２１の未結合ボンドすべてを水素原子２２により終
端する。これにより、化学的に不活性で安定した表面構
造が得られる。基板は、Si 以外にも Ge 半導体結晶を
用いても良い。次に、ジャパニーズ・ジャーナル・アプ
ライド・フィジックス・レターズ第35巻(1996年)の第10
85頁から第1088頁(Jpn. J. Appl. Phys. Vol.35 (1996)
pp. L 1085-L 1088) に記載されているように、ＳＴＭ
の探針を水素終端されたSi基板表面に近付け、探針に適
当な電圧パルスを印加することにより、水素原子列を１
列分だけ抜き取り、一次元の細線形状の水素未結合型の
Siボンド列を作った。この水素未結合Siボンド列は、他
の水素結合したSi 表面構造に比べて、化学的に活性で
ある。そこで、本実施例では、イオン価が３価の金属原
子である Ga 原子２３を、上記の水素未結合Siボンド列
に対して、熱蒸発源を用いて吸着させた。吸着原子は、
他の３価の金属原子 B, Al, In, Tl でもよく、３価以
外の原子や、これら複数種類の原子の組み合わせでもよ
い。(Example 1) FIG. 2 shows an atomic arrangement structure of a micromagnetic device according to the present invention. In this example, a non-magnetic Si substrate is used, as shown in FIG.
All unbonded bonds of atom 21 are terminated by hydrogen atoms 22. Thereby, a chemically inert and stable surface structure is obtained. The substrate may be a Ge semiconductor crystal other than Si. Next, Japanese Journal Applied Physics Letters Vol. 35 (1996)
85 to 1088 (Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 35 (1996)
pp. L 1085-L 1088).
Approach the hydrogen-terminated Si substrate surface and apply an appropriate voltage pulse to the
One line is extracted, and a one-dimensional thin line-shaped hydrogen-unbonded
I made a row of Si bonds. This non-hydrogen bonded Si bond train is chemically active compared to other hydrogen bonded Si surface structures. Thus, in the present embodiment, Ga atoms 23, which are trivalent metal atoms, are adsorbed to the above-mentioned hydrogen-unbonded Si bond array using a thermal evaporation source. The adatom is
It may be another trivalent metal atom B, Al, In, Tl, a non-trivalent atom, or a combination of these plural types of atoms.
【００２１】本実施例では、基板表面に吸着させたGa原
子２３の個数は、未結合ボンド数の1.5倍とした。以上
の原子操作・蒸着操作によって得られた原子スケールで
の表面構造の例を図２（ｂ）に示す。本実施例では、図
２（ｃ）に示すように、基本単位は、２つの Si 原子２
１と３つのGa 原子２３から構成される一つの原子集団
である。この基本単位から構成される任意の Ga原子細
線が本実施例の対象である。In this embodiment, the number of Ga atoms 23 adsorbed on the substrate surface is set to 1.5 times the number of unbonded bonds. FIG. 2B shows an example of a surface structure on an atomic scale obtained by the above-described atomic operation and vapor deposition operation. In this embodiment, as shown in FIG. 2C, the basic unit is two Si atoms 2
One atomic group composed of one and three Ga atoms 23. Any Ga atomic wire composed of this basic unit is the object of this embodiment.
【００２２】また、このGa原子細線に対して、ＳＴＭの
探針を用いて走査トンネル・スペクトロスコピー（ＳＴ
Ｓ）を行ない、電子状態密度を電子エネルギーの関数と
して調べたところ、フェルミ・エネルギー近傍に図１に
示したような鋭いピーク構造があることがわかった。A scanning tunneling spectroscopy (ST) is performed on the Ga atomic wire using an STM probe.
When S) was performed and the electronic state density was examined as a function of the electron energy, it was found that there was a sharp peak structure near the Fermi energy as shown in FIG.
【００２３】図３は本発明に係る微小磁性デバイスの例
である。同図に示したように、Ga原子３１の細線が蒸着
された Si(100) 基板３２の背面部分にAu薄膜を蒸着
し、このAu薄膜を背面ゲート電極３３とした。FIG. 3 shows an example of a micro magnetic device according to the present invention. As shown in the figure, an Au thin film was evaporated on the back surface of a Si (100) substrate 32 on which a thin wire of Ga atoms 31 was evaporated, and this Au thin film was used as a back gate electrode 33.
【００２４】図４は本発明に係る微小磁性デバイスの他
の例である。本例では、ゲート電極４３を基板４２の背
面部分ではなく、Ga原子４１の細線近傍の基板表面上に
構成している。図５は、このゲート電極に−10 ボルト
から＋10 ボルトの範囲で電圧Vg を印加した場合に、 G
a原子細線がもつ磁化の値 M が変化する様子を走査型磁
気力顕微鏡（ＭＦＭ）によって測定した例を示すもので
ある。図５から明らかなように、ゲート電圧 Vg を適当
に選ぶことにより、Ga原子細線の磁化の有無を制御する
ことができる。また、このとき自発磁化（スピン）の向
きは Ga原子細線に沿った方向にあることがわかり、原
子サイズ・レベルの微小磁石として動作可能であること
がわかった。FIG. 4 shows another example of the micromagnetic device according to the present invention. In this example, the gate electrode 43 is formed not on the back surface of the substrate 42 but on the surface of the substrate in the vicinity of the fine lines of the Ga atoms 41. FIG. 5 shows that when a voltage Vg is applied to the gate electrode in a range of -10 volts to +10 volts, G
(a) An example in which the state of change of the magnetization value M of an atomic wire is measured by a scanning magnetic force microscope (MFM). As is clear from FIG. 5, the presence or absence of magnetization of the Ga atomic wire can be controlled by appropriately selecting the gate voltage Vg. At this time, the direction of the spontaneous magnetization (spin) was found to be in the direction along the Ga atomic wire, and it was found that the magnet could operate as a micro magnet of the atomic size level.
【００２５】以上のゲート電圧効果による磁化制御方法
を用い、通常のバルクな磁気記録ヘッドと同様な操作に
よって、磁気記録媒体表面上に数百オングストローム程
度の微小な 磁気記録スポットを書き込むことができ
た。この事実は 走査型磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）または
スピン走査型電子顕微鏡によって、書き込み操作後の磁
気記録媒体表面を走査することにより確認された。By using the above-described magnetization control method based on the gate voltage effect, a minute magnetic recording spot of about several hundred angstroms could be written on the surface of the magnetic recording medium by the same operation as a normal bulk magnetic recording head. . This fact was confirmed by scanning the surface of the magnetic recording medium after the writing operation with a scanning magnetic force microscope (MFM) or a spin-scanning electron microscope.
【００２６】（実施例２）図６は本発明に係る微小磁性
デバイスの原子配列構造を示すものである。本実施例で
は、同図（ａ）に示すように、完全に水素終端した Si
(111) 表面を用い、実施例１で記載されたような未結合
ボンド列を形成せずに強磁性デバイスを構成する。ま
ず、水素終端 Si 原子６１の表面を８０Ｋの温度に保
ち、ここにGa原子６２を供給した後にＳＴＭの探針を用
いて個々のGa原子を動かし、Ga原子クラスターを形成す
る。本実施例における基本単位は、図６（ｂ）に示した
ように、基板原子である２つの Si 原子と吸着原子であ
る１つのGa 原子である。これらを基本単位として、任
意の基本単位の組み合わせによって構成される原子クラ
スターが本実施例の対象となる。(Embodiment 2) FIG. 6 shows an atomic arrangement structure of a micro magnetic device according to the present invention. In the present embodiment, as shown in FIG.
The (111) surface is used to construct a ferromagnetic device without forming unbonded bond rows as described in Example 1. First, the surface of the hydrogen-terminated Si atoms 61 is maintained at a temperature of 80 K, and after supplying Ga atoms 62 thereto, individual Ga atoms are moved using an STM probe to form Ga atom clusters. The basic units in this embodiment are, as shown in FIG. 6B, two Si atoms as substrate atoms and one Ga atom as an adsorbed atom. Using these as basic units, an atomic cluster constituted by a combination of arbitrary basic units is an object of this embodiment.
【００２７】この Ga原子クラスターに対して、ＳＴＭ
の探針を用いて、Ga 原子クラスターに対する走査トン
ネル・スペクトロスコピー（ＳＴＳ）を行ない、当該ク
ラスターの電子状態密度を電子エネルギーの関数として
調べたところ、フェルミ準位近傍に図１に示したような
鋭いピーク構造があることがわかった。さらに、この原
子クラスター構造に対して、図３に記したと同様な背面
ゲート電極、または図４に記したと同様な側面ゲート電
極を構成し、ゲート電圧印加により、磁化実施例１と同
様な自発磁化の制御をすることができた。また、この場
合には、自発磁化（スピン）の向きは、Si表面に対して
垂直な方向であった。For this Ga atom cluster, STM
Scanning tunneling spectroscopy (STS) was performed on a Ga atom cluster using the probe shown in FIG. 1, and the electronic state density of the cluster was examined as a function of the electron energy. As shown in FIG. It was found that there was a sharp peak structure. Further, for this atomic cluster structure, a back gate electrode similar to that shown in FIG. 3 or a side gate electrode similar to that shown in FIG. 4 is formed. The spontaneous magnetization can be controlled. In this case, the direction of spontaneous magnetization (spin) was perpendicular to the Si surface.
【００２８】このように、自発磁化を得るためには、固
体表面に吸着原子は、必ずしも一次元的な原子細線構造
をとる必要はなく、原子クラスター形状であってもよ
い。むしろ、重要なことは、フェルミ・エネルギー近傍
に電子状態密度の鋭いピーク構造をとるように、吸着原
子を配列して構成することが肝要であり、これにより電
界効果型の磁化制御が容易となる。As described above, in order to obtain spontaneous magnetization, the adsorbed atoms on the solid surface do not necessarily need to have a one-dimensional atomic wire structure, and may have an atom cluster shape. Rather, it is important to arrange the adatoms so that the electron state density has a sharp peak structure near the Fermi energy, which facilitates field-effect-type magnetization control. .
【００２９】さらに述べれば、電子状態密度の鋭いピー
ク構造を得るには、表面構造の電子状態として、一部分
または全体が平坦であるようなエネルギーバンドがフェ
ルミ準位近傍に出現するように、原子を配列して構成す
ることが肝要である。Furthermore, in order to obtain a peak structure having a sharp electronic state density, atoms are formed so that an energy band in which a part or the whole is flat appears near the Fermi level as an electronic state of the surface structure. It is important to arrange them in an array.
【００３０】また、本実施例の場合にも、基板と吸着原
子の組み合わせは、Si と Ga に限るものではない。Also, in the case of this embodiment, the combination of the substrate and the adsorbed atoms is not limited to Si and Ga.
【００３１】[0031]
【発明の効果】原子サイズまで微小な構造を有する本発
明の磁気デバイスを用いれば、適当な磁気記録媒体にお
いて、記録単位の空間サイズが ２オングストロームか
ら５００オングストロームの範囲内にあるような極微小
領域に対しても、磁気的な書き込み記録が可能である。By using the magnetic device of the present invention having a structure as small as an atomic size, in an appropriate magnetic recording medium, an extremely small area in which the spatial size of a recording unit is in the range of 2 to 500 angstroms. , Magnetic writing and recording are possible.
【００３２】これにより、１０ギガ・ビット／平方イン
チから１ペタ・ビット／平方インチ以上の超高密度の磁
気記録が可能となる。また、この磁気デバイスは、通常
の磁気ディスク装置を構成する磁気記録ヘッドとして利
用することができる。As a result, it is possible to perform ultra-high density magnetic recording of 10 giga bits / square inch to 1 peta bit / square inch or more. Further, this magnetic device can be used as a magnetic recording head constituting a normal magnetic disk drive.
【図１】電子状態密度（DOS）を電子エネルギー(E)の関
数として見た図。FIG. 1 is a diagram showing electronic density of states (DOS) as a function of electron energy (E).
【図２】(a)は本発明に係る微小磁性デバイスのSi(100)
表面上の原子の配列構造図、(b)は表面近傍の原子配列
構造の断面図、(c)は自発磁化を発現をさせる基本単位
を示す図。FIG. 2 (a) is a micromagnetic device according to the present invention, Si (100)
FIG. 1B is a diagram showing the arrangement structure of atoms on the surface, FIG. 2B is a cross-sectional view of the atomic arrangement structure near the surface, and FIG.
【図３】背面ゲート電極を有する微小磁性デバイスの実
施例を示す図。FIG. 3 is a diagram showing an embodiment of a micromagnetic device having a back gate electrode.
【図４】側面ゲート電極を有する微小磁性デバイスの実
施例を示す図。FIG. 4 is a diagram showing an embodiment of a micromagnetic device having a side gate electrode.
【図５】Ga原子細線の磁化 M（Ga原子２個当たり）とゲ
ート電圧 Vg との関係を示す図。FIG. 5 is a diagram showing a relationship between the magnetization M (per two Ga atoms) of a Ga atom wire and a gate voltage Vg.
【図６】(a)は本発明に係る微小磁性デバイスのSi(111)
表面上の原子の配列構造図、(b)は自発磁化を発現をさ
せる基本単位を示す図。FIG. 6 (a) is a micromagnetic device according to the present invention, Si (111)
FIG. 2 is a diagram showing an arrangement structure of atoms on a surface, and FIG.
Ef：フェルミ・エネルギー、DOS: 電子状態密度、２
１：シリコン（Si）原子、２２：水素（H)原子、２３：
ガリユム（Ga) 原子、３１：ガリユム（Ga) 原子、３
２：シリコン（Si）結晶基板、３３：背面ゲート電極、
４１：ガリユム（Ga) 原子、４２：シリコン（Si）結晶
基板、４３：側面ゲート電極 ６１：シリコン（Si）原子、６２：ガリユム（Ga) 原
子。Ef: Fermi energy, DOS: Electronic density of states, 2
1: silicon (Si) atom, 22: hydrogen (H) atom, 23:
Garyum (Ga) atom, 31: Garyum (Ga) atom, 3
2: silicon (Si) crystal substrate, 33: back gate electrode,
41: gallium (Ga) atom, 42: silicon (Si) crystal substrate, 43: side gate electrode 61: silicon (Si) atom, 62: gallium (Ga) atom.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小野 義正 埼玉県比企郡鳩山町赤沼2520番地 株式会 社日立製作所基礎研究所内 (72)発明者 橋詰 富博 埼玉県比企郡鳩山町赤沼2520番地 株式会 社日立製作所基礎研究所内 (72)発明者 和田 恭雄 埼玉県比企郡鳩山町赤沼2520番地 株式会 社日立製作所基礎研究所内 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing on the front page (72) Inventor Yoshimasa Ono 2520 Akanuma-cho, Hatoyama-cho, Hiki-gun, Saitama Prefecture Inside Hitachi, Ltd. Hitachi Basic Research Laboratory (72) Inventor Yasuo Wada 2520 Akanuma, Hatoyama-cho, Hiki-gun, Saitama Prefecture Hitachi Research Laboratory, Ltd.
Claims (8)
イズで配列して吸着させた表面構造を有する微小磁性デ
バイスにおいて、上記基板部分に１個ないしは複数個の
ゲート電極を別に設け、ゲート電極部分に電圧を印加す
ることにより、上記表面構造の電子スピン状態を常磁性
状態と強磁性状態間で遷移させる機能を有することを特
徴とする微小磁性デバイス。1. A micromagnetic device having a surface structure in which nonmagnetic atoms are arranged in atomic size and adsorbed on the surface of a nonmagnetic substrate, and one or more gate electrodes are separately provided on the substrate portion. A micromagnetic device having a function of changing the electron spin state of the surface structure between a paramagnetic state and a ferromagnetic state by applying a voltage to a gate electrode portion.
態密度のピークが出現させる原子配列の基本単位を有す
るように原子を配列して構成されたことを特徴とする請
求項１記載の微小磁性デバイス。2. The microstructure according to claim 1, wherein said surface structure is constituted by arranging atoms so as to have a basic unit of an atomic arrangement in which a peak of an electronic state density appears near a Fermi level. Magnetic device.
つの同種または異種の吸着原子あるいは原子集団が一つ
の基本単位を構成するように原子を配列して結合させた
ことを特徴とする請求項１記載の微小磁性デバイス。3. The method according to claim 1, wherein said two atoms of the same kind constituting said substrate and atoms of the same kind or different kinds of adsorbed atoms or atomic groups are arranged and bonded so as to constitute one basic unit. The micromagnetic device according to claim 1.
種原子と、吸着原子群を構成する１つの原子あるいは原
子集団であることを特徴とする請求項１又は２記載の微
小磁性デバイス。4. The micromagnetic device according to claim 1, wherein the basic units are two identical atoms constituting a substrate and one atom or an atomic group constituting an adsorbed atom group.
ギーバンドが、一部分または全体が平坦であるような構
造を、フェルミ準位近傍に出現するように原子を配列し
て構成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに
記載の微小磁性デバイス。5. A structure in which an electron energy band involving an adsorbed non-magnetic atom is partially or entirely flat, wherein atoms are arranged so as to appear near the Fermi level. The micromagnetic device according to claim 1.
半導体結晶、または GaAs を含む半導体結晶を用い、表
面に吸着させる非磁性原子には B, Al, Ga, In, Tl の
イオン価３の金属原子のいずれか１種類または複数種類
の組み合わせを用いることを特徴とする請求項１〜４記
載のいずれかに記載の微小磁性デバイス。6. A semiconductor crystal containing Si or Ge or a semiconductor crystal containing GaAs is used for the non-magnetic substrate, and the non-magnetic atoms adsorbed on the surface have an ionic value of B, Al, Ga, In, and Tl of 3. The micromagnetic device according to any one of claims 1 to 4, wherein one or a combination of a plurality of the metal atoms is used.
子、およびこれらと同種または異種の第三の原子または
原子集団とを、第一の原子と第三の原子または原子集団
との間および第二の原子と第三の原子または原子集団と
の間に化学結合ボンドが形成され、第一の原子と第二の
原子との間には化学結合ボンドもしくは第三の原子また
は原子集団を経由しない電子移動経路が形成されるよう
に基板表面上に配列した構造を基本単位として構成する
ことによって強磁性が発現する構造を、１個ないし複数
個並べて構成した微小磁性デバイス。7. A first atom, a second atom of the same kind as the first atom, and a third atom or group of atoms of the same kind or different from the first atom and the third atom or atom of the first atom. A chemical bond is formed between the first atom and the second atom, and between the first atom and the second atom. Alternatively, a micromagnetic device in which one or a plurality of structures exhibiting ferromagnetism are formed by forming a structure arranged on a substrate surface as a basic unit such that an electron transfer path that does not pass through an atomic group is formed.
デバイスにおけるゲート電圧による常磁性／強磁性間の
スイッチング機能を利用し、磁気記録媒体にビット記録
を書き込むことを特徴とする微小磁気記録ヘッド。8. A micro magnetic device according to claim 1, wherein bit recording is written on a magnetic recording medium by utilizing a switching function between paramagnetic / ferromagnetic by a gate voltage in the micro magnetic device. Magnetic recording head.
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|---|---|---|---|
| JP00997097A JP3551676B2 (en) | 1997-01-23 | 1997-01-23 | Micro magnetic device |
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| US09/375,439 US6299990B1 (en) | 1996-12-18 | 1999-08-17 | Ferromagnetic material and magnetic apparatus employing the ferromagnetic material |
| US09/961,292 US6475650B2 (en) | 1996-12-18 | 2001-09-25 | Ferromagnetic material and magnetic apparatus employing the ferromagnetic material |
Applications Claiming Priority (1)
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| JP00997097A JP3551676B2 (en) | 1997-01-23 | 1997-01-23 | Micro magnetic device |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3551676B2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2000033052A1 (en) * | 1998-12-03 | 2000-06-08 | Daiken Chemical Co., Ltd. | Electronic device surface signal control probe and method of manufacturing the probe |
-
1997
- 1997-01-23 JP JP00997097A patent/JP3551676B2/en not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US7064341B2 (en) | 1998-03-19 | 2006-06-20 | Daiken Chemical Co., Ltd. | Coated nanotube surface signal probe |
| WO2000033052A1 (en) * | 1998-12-03 | 2000-06-08 | Daiken Chemical Co., Ltd. | Electronic device surface signal control probe and method of manufacturing the probe |
| US6528785B1 (en) | 1998-12-03 | 2003-03-04 | Daiken Chemical Co., Ltd. | Fusion-welded nanotube surface signal probe and method of attaching nanotube to probe holder |
| KR100398276B1 (en) * | 1998-12-03 | 2003-09-19 | 다이켄카가쿠 코교 가부시키가이샤 | Probe for operating surface signal in an electronic device and method for manufacturing the same |
| US6800865B2 (en) * | 1998-12-03 | 2004-10-05 | Daiken Chemical Co., Ltd. | Coated nanotube surface signal probe and method of attaching nanotube to probe holder |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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