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かずしおおばま
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1 /3/6 テラビット記録のためのパターン媒体技術北上修, 岡本聡, 菊池伸明 ( 東北大学多元研 ) 島津武仁, 三塚要, 青井基 ( 東北大学通研 ) 本研究の一部は, 文部科学省次世代 IT 基盤構築のための研究開発文部科学省特別教育研究経費ポストシリコン物質デバイス創製基盤技術アライアンス科研費情報ストレージ推進機構 (SRC) の援助のもとで行われた.

2 内容 Ⅰ. 背景 Ⅱ. BPテラビット記録の可能性に関する試算 Ⅲ. BP 用磁性材料 Ⅳ. ドット格子の問題 Ⅴ. まとめ

3 背景 trilemma の解消 - 記録分解能, 熱安定性, 飽和記録 - U to Tb/in Graded media ECC (/S) media etc. DD Beyond Tbi ビットパターン媒体 (BP) and / or エネルギーアシスト記録熱アシスト (TAR) マイクロ波アシスト (AR) 瓦記録 (hingle 記録 ) year BP によりテラビット記録は可能か? 3

4 BP に係わる様々な課題 edia. 量産化技術. サイズ分布, 位置ずれ, 3. 加工ダメージ 4. SFD DI BP for Tb/in nm nm 安定浮上 acing < nm R/ 記録タイミング BP によるテラビット記録は原理的に可能か?

5 BP テラビット記録の可能性問題設定 BP により 5 Tbi は原理的に可能か? [ JEITA Reort ストレージ技術調査研究報告書 (7) ] BP が満足すべき要件 z. 個々のドットが満たすべき条件. ドット集合体が満たすべき条件 y 3. 記録特性及び熱安定性からの要求 L x Fig. 5 Tbi は原理的に可能か? 5

6 個々のドットが満たすべき条件 B-. ビット占有面積 S ( ) 3 nm ( 正方ドットの場合.4 nm) B-. 垂直磁化条件実効垂直異方性 ( ) N N Δ N u _x, y _z u _x, z () B-3. 双安定かつコヒーレントな磁化挙動 L ex or w (?) () ここで交換結合長 L ex q A N _x 磁壁厚 w z π A y L x Fig. 6

7 ドット集合体が満たすべき条件この問題に入る前に, ドットや粒子集合体の磁化過程を理解しなければならない. Reveral unit D N N z (, D) nucleation field n - r (N f - N ) < - r ループ ( 構成粒子 ) aturation field r (N f - N ) < diolar field N f : macrocoic demagnetizing factor N _z : demagnetizing factor of a reveral unit < : average aturation magnetization 個々の粒子は以下の実効異方性を有する u [ O. itakami et al. Jn. J. Al. Phy. 4, 49 (); ibid 4, L455 () ] ( N _z N _x, y ) (3) 粒子は, 外部磁場に加え, 自身を除いた全粒子からの双極子場 ( 反磁場 ) を感じながら磁化する. その双極子場は, 集合体全体が生み出す場から自分自身が生み出す場の差分に等しく (N f -N _z ) < となる. このような考察から求まる磁化曲線は, 上図のように反磁場係数差の逆数 / (N f -N _z ) で傾斜したものとなる. 7

8 ドット集合体が満たすべき条件双極子相互作用が媒体設計マージンを著しく狭める. Increae of aturation field Unfavorable for aturation recording - r. Reduction of nucleation field n DC noie & ATE roblem 3. Severe reduction of energy barrier nucleation field n - r (N f - N ) < aturation field r (N f - N ) < diolar field ΔE ( d ) V ΔE ( d - (N f -N _z ) < ) 4. Increae in ective witching field ditribution Deterioration of recording reolution d d x d d loo d d x head 8

9 ドット集合体が満たすべき条件粒子間の双極子相互作用は記録媒体のあらゆる性能に甚大な影響を及ぼす. 本報告で取り扱うパターン媒体の場合も全く同様で, この相互作用の影響を如何に低減するかが媒体をデザインをする上で非常に重要である. 但し, パターン媒体の場合に難しいのは, 平均反磁場係数を通常の薄膜のように単純に N f ~ 4π で近似できない点にある. この具体的な計算は後ほど行うとして, 先ず記録媒体応用の観点からドット集合体にどのような性質が求められるかをまとめる. B- DC イレーズノイズ低減のためには残留磁化比が r / d (diolar field from all urrounding article) d ( N f N / _z ) < u / ( N _x N _z ) (4) B- 双極子相互作用 d によるスイッチング磁場の分布 (5) d S d 双極子場 d を可能な限り低減信号処理に依存 nucleation field n - r (N f - N ) < - r aturation field r (N f - N ) < diolar field 9

10 記録特性及び熱安定性からの要求 B3- 飽和記録飽和磁場 at d Nf N_z ) ( < max head (6) * 主磁極 /SUL の組み合わせで双極子場は約 / 3 に減少. See, for examle, Reort for IT, unublihed (3/4/5). In thi calculation, I adoted the Nakamoto & Bertram analytic model. [. Nakamoto and. N. Bertram, J. agn. Soc. Jn. 6, 79 ()] B3- 熱安定性エネルギー障壁 Δ E max [ d ( Nf N_z ) < ] 4 kb T (7) 式 () のコヒーレント条件より Δ E V ( Nf N_z ) < 4 k B T (8)

11 5 Tbi 用 BP に課される条件 B. 個々のドットが満たすべき条件 B. ドット集合体が満たすべき条件 B3. 記録特性及び熱安定性からの要求条件 (), (), (4)~(6), (8) 以上の条件式を統合整理すると,5 Tbi BP に課される条件は以下の通り. ( N f N _z ) < max head ( N f N _z ) < (9) V ( N N ) f _z < 8 k B T () 結局,5 Tbi 用パターン媒体を原理的に実現できるかどうかは, 式 (9) & () を同時に満たす解が存在するかどうかにかかっている. これらの解の存在を見つけるには, ドット集合体の反磁界係数 N f, 単一ドットの反磁界係数 N_x, y, z を知らなければならない. そこで, 先ずこれらの反磁界係数の計算法について述べた後,5Tbi 用パターン媒体の条件式 (9) & () に戻る.

12 見積もりに必要な反磁界係数 ( N f N _z ) < max head ( N f N _z ) < (9) V ( Nf N_z ) < 8 k B T () ( ) N N Δ N u _x, y _z u _x, z z N f : ドット集合体の z 方向反磁界係数 ( 全ドット ) y N _z : 一つのドットの z 方向反磁界係数 N _x,y : 一つのドットの x, y 方向反磁界係数 L N f - N _z : 自身以外のドットの影響による反磁界係数 x Fig.

13 3 ドットの垂直方向反磁界係数 f N π π π ρ π ( ) ( ) π π π π π π π π L n m n m n m n m L l m m m L m n m ex in in 3 ex in 3 3. Fujiwara, JPSJ, 9 (965); T. Iwata et al. JAP 37, 85 (966). その後, 異なる格子に対する計算も行われている.. auda et al. JJAP 6, 68 (987);. Daimon & O. itakami, JJAP 3, 8 (99). x y z L θ Fig.4 denity acking ρ ドット集合体単一ドット ( ) ( ) ( ) 3 / 3 3 _z 3 3 log 3 log log cot N π L aect ratio L/ ( ) _z y _x, N N ( ) _z y N _x, N N z x

14 ドット集合体及び単一ドットの反磁界係数形状異方性磁化曲線傾斜 ( N N ) ΔN u _x, y _z u _x, z d α 4π 4π d ΔN Nf N_z ドット周期固定 (a.4 nm) の場合ドット厚 L and/or サイズ低減傾斜 α 増加双極子場の悪影響緩和 Ν ( /4π ) (nm) ΔN (Lnm) L 5nm Lnm L5nm ΔNx-z(Lnm) L 5nm Lnm L5nm Ν Ν f -Ν _z Ν x-z Ν _x-ν _z Fig.5 4

15 5 Tbi の原理的な可能性について BP に課される条件 ( N f N _z ) < max head ( N f N _z ) < (9) V ( Nf N_z ) < 8 k B T () 以降の議論を具体的に進めるために, 現実に近い以下の条件を設定する. a. 記録ヘッドが発生しうる最大磁場 head max 6 koe. () b. 双極子場 (N f -N _z ) < N < は有効異方性場の /5 以下. 5 N <. () 5

16 5 Tbi の原理的な可能性について head max 6 koe を (9), () に代入して V 5 6 max head 5k 3.3 koe B T 5. erg at 3 (3) (4) 5 N < () 式 (3) において, 許容異方性磁場の限界 3.3 koe をとると, 式 (4) より V [nm ] ( 3 emu/cc ) ( 5 ) ( 8 ) ( ) (4 ) 式 () と (4 ) を同時に満足する解があるかどうかが 5 Tbi の実現可能性を決める. 6

17 3 emu/cc の材料を用いた場合式 () 5 N < より N.33 5 ρ 5< 4.7 4π ρ < ρ 右図を見てわかるように, この不等式は今回計算した全サイズ領域 z <.4 nm, < L 5 nm y に於いて満足される. また式 (4 ) よりV 3 nm 3 でなければならないが, これは例えば nm,l 3 nm とすることにより容易に満足される. したがって, 3 emu/ccの場合には5 Tbiの解は存在する. ちなみにこの場合の実効異方性定数は材料的にも対応可能 6 erg/cc Ν ( /4π ) L x Fig. Fig.5 Ν Ν f -Ν _z Ν x-z Ν _x-ν _z (nm) 7

18 5 Tbi の原理的な可能性について. 簡単な試算より,5 Tbi という超高密度記録は BP により原理的に実現可能との見通しが得られた.. BP 設計にあたっては, 双極子相互作用の制御が重要である. 3. 双極子相互作用軽減のためには磁化ドット体積ドット厚の低減が非常に有効である. 8

19 BP 用磁性材料 Co/Pt L CoNi-Pt < L -Co 5 Pt 5 [. Sato, T. Shimatu et al. J. Al. Phy. 3, 7E4 (8); ibid (in re) ] 9

20 ナノ磁性体研究の必要性 Tbit/in DD nm nm Bit ize i comarable to characteritic length, uch a exchange length or domain wall width L A / ex w π A / u year ow doe uch a tiny magnet behave in reone to, T, etc?

21 マイクロマグネティクスの予測

22 単一ドットの超高感度磁化検出 V - I - I V Develoed AE method ~ -5 emu (Co: nm) VS SQUID micro SQUID (Neel lab.) AE (reent method) Senitivity ~ -4 emu ~ -7 emu ~ -5 emu ~ -5 emu ax Field ax Tem max koe max 5 koe max 9 koe < 9 T mea max 9 koe [ N. ikuchi et al. Al. Phy. Lett. 8, 433 (3) ]

23 L FePt 単一ドットの磁化挙動 For the firt time, we have clarified that FePt dot behave in a coherent manner when the dot ize i maller than nearly half the exchange length. (D < L ex / )

24 BP 用ナノドット格子の問題 A. Interdot diolar interaction z degradation of thermal tability broadening of ective SFD reduction of <, V dot, L/ i neceary L x Fig. y B. Switching Field Ditribution extrinic factor : ize dierion, etching damage etc. intrinic factor : tructural defect, uch a c-axi dierion, lattice defect, layer imerfection, etc. nucleation field n - r (N f - N ) < - r aturation field r (N f - N ) < diolar field N f : macrocoic demagnetizing factor N _z : demagnetizing factor of a reveral unit < : average aturation magnetization aterial being invetigated : () hc Co-Pt () Co/Pt (3) L CoPt (4) ard/soft tack 4

hc Co-Pt ドット格子 Crytalline ize : ~ 5 nm c-axi dierion : θ 5.8 agnetization : 8 emu/cc agnetic aniotroy : u.4 7 erg/cc Aniotroy field : koe aturation D 45 nm demag V AE, V r AE (arb. unit).5.5 D 8 4 45 nm continuou film 5 5 (koe) r /r(φ) (koe).

25 hc Co-Pt ドット格子 Crytalline ize : ~ 5 nm c-axi dierion : θ 5.8 agnetization : 8 emu/cc agnetic aniotroy : u.4 7 erg/cc Aniotroy field : koe aturation D 45 nm demag V AE, V r AE (arb. unit).5.5 D nm continuou film 5 5 (koe) r /r(φ) (koe) nm, D 4 nm nm, D 4 nm nm, D 45 nm φ (degree) Each Co-Pt dot i bitable Nucleation tye reveral r << increae with reducing D Somewhat broad SFD 5

center 5 (b) 5 5 5 5 Ditance from dot center (nm) [. ituzuka, et al. J. agn. Soc.

26 反転磁場のドットサイズ依存性 N z (koe) k nm D Effective k k 4π N z (r) D (nm) (a) (a) 4 nm D (nm) nm Dot center 5 (b) Ditance from dot center (nm) [. ituzuka, et al. J. agn. Soc. Jn, 3, (6) ] k (r) (koe) (koe) r (koe) nm nm 5 nm 7 koe D (nm) roughly exlain the D deendence of, but decreae more raidly than k. 6

27 θ 反転磁場, SFD に及ぼす c 軸分散の影響 c-axi dierion θ 5.8 [. ituzuka, et al. J. agn. Soc. Jn, 3, (6) ] Ditribution (Normalized) D 4 nm, nm θ 5.8 degree r cal r k (r) cal r (koe) For maller dot, max r cal ~ 7

28 反転磁場, SFD に及ぼす c 軸分散の影響 SFD ( r / r ) r r 8 SFD D ( nm ) r and r ( koe ) c(r) (koe) [. ituzuka, et al. J. agn. Soc. Jn, 3, (6) ] 5 5 hc-copt nm, Pt, Z nm, 7Pt, Z nm, Pt, Z nm, 5Pt, T 3nm, 5Pt, T 3nm, 3Pt, T 3nm, 5Pt, T V AE, V r AE (arb. unit).5.5 D 4 nm 5 5 (koe) 5 5 r(cal) (koe) - loo hearing come from SFD robably governed by c-axi dierion Reduction of c-axi dierion would be crucial for lowering SFD 8

29 L CoPt ドット格子 [. Sato et al. JAP 3, 7E4 (8) ; ibid (in re) ] SFD c / c.7 for L CoPt <.5 for hc Co 8 Pt Thi lower SFD may be due to better c-axi dierion. 9

30 まとめ. BP を用いたテラビット記録の可能性について試算した結果, 少なくとも 5 Tbi を越える高密度化は原理的に可能と予測される. ただし, ドット間相互作用の設計制御が重要なポイントである.. BP 用材料として適当な磁化を有するCo/Pd, Pt やL Co(Ni)Ptが現状では有望と考えられる. 3. サブミクロンCo/Pt ドットの磁化反転様式, 双安定条件を明らかにした. 高速パルス反転実験などから, その反転様式は磁壁厚程度の反転核生成磁壁伝搬で進行することが実証された. 今後は,BPサイズ領域 (~ nm) にまで踏み込み, ナノ磁性体の振舞いを調べる必要がある. 4. hc Co-Pt, L CoPt ドット格子の実験から,SFDには個々の結晶粒の結晶軸分散が深く関与していることが示唆された. 今後は, 微細加工時のダメージ, バラつき, 材料中の格子欠陥も含め, より踏み込んだ調査が必要. 3

(Microsoft PowerPoint - SPring-8_WS_kondo_\224z\225z\227p [\214\335\212\267\203\202\201[\203h])

$(Microsoft PowerPoint - SPring-8_WS_kondo_\224z\225z\227p [\214\335\212\267\203\202\201[\203h])$ SPring-8 利用推進協議会先端磁性材料研究会第 3 回研究会パターン媒体の先端技術開発とナノ磁気イメージングからのアプローチ 2010 年 3 月 16 日顕微 XMCD 法によるパターン媒体の磁気特性評価近藤祐治, 千葉隆, 田口香, 有明順本多直樹鈴木基寛, 河村直己, 高垣昌史秋田県産業技術総合研究センター東北工業大学高輝度光科学研究センター /SPring-8 B. M.