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1 白金族元素を含まない垂直磁気記録材料 筑波大学大学院数理物質科学研究科電子 物理工学専攻 教授 喜多 英治 准教授 柳原 英人

2 研究背景 磁性体の薄膜化による新物性 薄膜化 多層化によって顕在化する物理現象 巨大磁気抵抗効果 (GMR)(1988) トンネル磁気抵抗効果 (TMR)(1994) 層間交換結合 垂直磁気異方性 スピンホール効果 スピン注入磁化反転 2

3 態制御垂直磁気異方性 2010/10/18 筑波大学柳原英人 背景 目的 ハードディスク : 記録媒体 ヘッドに白金族白金やルテニウム! これまで稀少金属が中心的な役割を担っていた磁気層間結合や垂直磁気異方性を フェラ 内容 1 配向酸化物薄膜の製膜技術 スパッタ法による酸化物薄膜作製イト強磁性体と金属の界面の機能で創出し 稀少金属を使わない磁性材料を開発 界2 複合界面反平行結合の制御 3 フェライト垂直磁化膜の実現 再生用ヘッド 記録ビット 書込み磁界 垂直記録用ヘッド 垂直磁化層 面電子状 軟磁性裏打ち層 軟磁性層 Ru 軟磁性層 反強磁性結合層 3

4 日本の磁気技術とハードディスク (HDD) 1980 年 ~1990 年磁気技術 : 日本経済発展に大きく貢献 永久磁石 : ネオジ磁石 ( 住特金 1982) 軟磁性材料 : ソフト磁性材料 (TDK) 磁気記録 :( ビデオ オーディオテープ ) フロッピーディスク テープ5 社 (TDK ソニー 富士 マクセル 3M) による市場独占 背景 : 理論的 実験的基礎分野からの豊富な人材供給 HDD の現状 部品レベルで日本技術は健闘! 発展 維持には新技術が必要 製品メーカー 5 社 ; 総合メーカー富士通の撤退 eagate WesternDigital amsung 日立 東芝 完全な自社製造はない ( 各部の日本製品は重要 ) スピンドルモーター 100% 日本製 ( 日本電産 ミネベア ) ヘッド (TDK)3 社に全品供給 ( シーゲート 日立は プラッタ ( 記録媒体 ) 自社でも作製 ) 昭和電工 HOYA 富士電機 4

5 サーバー 4 兆円 他のデバイスの市場規模 DRAM HDD 4 CPU Flash 2.7 単位 : 兆円

6 対象元素 Pt Ru の現状 HDD 用需要拡大投機の対象 Rt, Ru: ハードディスクに使用発展と共に需要が増加 貴金属 価格は不安定 ( 高騰後下落 ) HDD の市場規模 ( 約 5 億台 / 年 ) HDD 4 兆円 CPU 4 Johnson & Matthey Platinum 2009 より作成 3600/g 113/g 7000/g DRAM 4.5 兆円 Flash 2.7 Pt Ru の役割 HDD 出荷台数 再生用ヘッド 記録ビット 書込み磁界 垂直記録用ヘッド 垂直磁化層 HDD 記録量 軟磁性裏打ち層 軟磁性層軟磁性層 Ru 反強磁性結合層 6

7 この研究の目的 磁気記録 ( 垂直磁化方式 HDD:4 兆円規模 ) に不可欠な貴金属元素 垂直磁化膜キー材料プラチナ Pt 反平行結合キー材料ルテニウム Ru をFe Co Mn Mg 等の酸化物で代替する 酸化物と金属を接合させ 高度物性評価と理論的バックアップから新材料開発手法を確立 界面磁性エンジニアリング 7

8 ハードディスク媒体 磁気記録媒体に使われる Pt, Ru ルテニウム Ru 三層膜 ( 強磁性 /Ru/ 強磁性層 ) 機能 : 上下磁化層を反平行結合 面内記録 現行 : 垂直磁気記録 次世代 : パターン記録 CoCrPtB 記録層 CoCrPt 10~20nm 垂直磁化層 Pt FePt? ルテニウム Ru 反平行 磁化が打ち消し合う シード層 ( ルテニウム :Ru) CoFeB ルテニウム Ru CoFeB 裏打ち層 UL:Ru シード層 (?) ルテニウム Ru ルテニウム Ru: 1nm 熱的安定性の向上 軟磁性裏打ち層 :UL: 記録層の磁束を回収反平行 :ULの磁化を打ち消し ノイズを低減 年 2001~ Ru 費用 ( 円 / 枚 )[gr/ 円 ] 0.1 [370] 30[3400] 2[270] Pt 使用量 (mgr/ 枚 ) 5 5 Pt 費用 ( 円 / 枚 )[gr/ 円 ] 23[4500] 20[4000] Pt 使用量 ( トン )[ 円 ] 9 t [405 億 ] 9 t [360 億 ] 今後 10 年間は裏打ち層が必要 垂直磁化膜に Pt が必須 触媒用途が加速 Pt: 自動車用触媒 Ru: 燃料電池用触媒 8

9 反強磁性結合材料の研究 ( 従来技術 ) Fe/Cr/Fe 多層膜において巨大磁気抵抗とと共に発見 (1988) Co/ 非磁性金属 (M)/Coの研究 Parkin 1991 金属材料ではCo/Ruが唯一の実用材料 2~5 erg/cm 2 実用上 0.7 erg/cm 2 磁化 10 kg(1t) Ti V Cr Mn Fe Co i Cu その他の磁気結合 Fe/MgO/Fe 三層膜 2006 年 0.04~0.3 erg/cm 2 と一桁小さい巨大 TMR( トンネル磁気抵抗 ) Fe/i/Fe 三層膜 2002 年 1 erg/cm 2 以上の大きな結合高い拡散性 ( 安定性に疑問 ) Co/X/Co 系結合の最大強さ erg/cm 2 o F F F 0.3 Zr b Mo Tc Ru Rh Pd Ag o o o Hf Ta W Re Os Ir Pt Au o o o..p.parkin PRL(91) 9

10 強磁性体 / 非磁性絶縁体での磁気結合 Fe/MgO/Fe 三層膜 年 0.04~0.3 erg/cm 2 と一桁小さい 理論的解釈は進んでいない 巨大 TMR( トンネル磁気抵抗 ) Faure-Vincent et al., PRL 2002 Fe/i/Fe 三層膜 2002 年 1 erg/cm 2 以上の大きな結合 高い拡散性 ( 安定性に疑問 ) 理論的には不明 Fe/MgO/ 強磁性酸化物 ( 筑波大 2006 年 ) Katayama et al., APL 2006

11 技術シーズ : 反平行磁化配置 (Ru の代替 ) Fe/Cr/Fe 多層膜 GRM と共に発見された相互作用 (1988) Co/Ru/Co 系が唯一の実用材料 2~5 erg/cm 2 HDDに必要とされる性能結合定数 0.7 erg/cm 2 磁化 10 kg(1t) スピネル型酸化物で代替 Fe 3-δ O 4 /MgO/Fe 多層膜 Ru を使わず 1 erg/cm 2 級 γ-fe 2 O 3 トンネル型結合 Fe MgO Fe 2 O 3 基板 Fe 3 O 4 /Fe では ( マグネタイト ) 直接反平行結合 -J 1 (erg/cm 3 ) ルテニウム 反平行結合の MgO 厚依存性 構造 : 強磁性 /Ru/ 強磁性層機能 : 上下磁化層を反平行結合 4 8 MgO thickness (Å) Fe 2 O 3 /MgO/Fe Fe 3 O 4 /MgO/Fe 12 JAP 101(07)09D101 ほか 16 11

12 層間結合の機構 振動する結合 Co/Cu 系 金属系 RKKYあるいは量子井戸 符号の振動など定性的には理解 強い系 (Co/Ru) は未解決 絶縁体を介した結合 ( トンネル結合 ) 金属 1. トンネル障壁界面での電子の反射 2. 絶縁層内の不純物の寄与 絶縁強磁性の種類に依存するか? 金属 絶縁体スペーサー絶縁体 直接結合 ハーフメタル? Fe 3 O 4 A B B A 軌道混成 Fe 12

13 技術シーズ : 垂直磁化膜 :Pt CoFe 2 O 4 CoCrPt( 現行 ) FePt( 次世代 ) を代替 CoFe 2 O 4 : 古典的な高保磁力材料 単結晶薄膜 :MgO(001) 基板上 +O 3 蒸着 Hc 20kOe 以上, 大きな垂直磁気異方性! 常磁性成分なし Magnetization ( emu/cm 3 ) MH curve (perpendicular) Minor loop? -40x H (koe) 記録方法 記録材料 Pt 濃度 at% MgO 基板上の単結晶完全に強磁性 磁気異方性 x10 6 erg/cm 3 保磁力 (koe) 水平記録 CoCrPtB 10 ~3 垂直記録 CoCrPt 25 6 ~ 10 ~5 パターン記録 FePt 50 ~ 10 5~50 CoFe 2 O 4 0 2~10 20~100 Intensity (arb. units) CoFe 2 O 4 CoFe 2 O 4 apphire(0001) 220 C MgO(001) 220 C サファイア (111) 基板常磁性 ~1/ Velocity (mm/sec) 13

14 スピネル型フェライト マグネタイト ( 磁鉄鉱 ) に代表される鉄酸化物 AB 2 O 4 A サイト :4 面体位置 B サイト :8 面体位置 1: マグネタイト magnetite Fe 3+ [Fe 3+,Fe 2+ ]O 4 Fe 3 O 4 電気伝導 2: マグヘマイト Maghemite Fe 3+ [Fe 3+ 5/3, 1/3 ]O 4 γ-fe 2 O 3 : vacancy 絶縁体 :A サイト位置 :B サイト位置 :O サイト位置 Fe 2+ :Co, i, Mg, Zn 等置換可能軟磁性 硬質磁性等多彩な磁性 Fe 3+ Cr 3+ クロマイトフェリ磁性 スパイラル 安価で身近な磁性体 単結晶構造解析で空孔位置を決定 B サイト空孔位置 J.Phys.oc.Jpn.,75, (2006). 14

15 開発中の媒体モデル 15

16 作製方法 新規酸化物複合薄膜の作製 酸化力を制御した反応性蒸着法 酸化源 O 2 +O 3 ( オゾン ) 成長方位制御 = 基板 スパッタ法による効率化 多成分系 (Co Mn i Ferrite) 酸化力は充分酸素濃度で調整 金属 酸素 Fe 3 O 4, γ-fe 2 O 3 (Maghemite) CoFe 2 O 4, MnFe 2 O 4, ife 2 O 4, スピネル構造 MgO 単結晶強い (001) 配向 単結晶基板 16

17 本技術に関する知的財産権 発明の名称 : 単結晶絶縁酸化膜およびその作製方法 特開 出願人 : 筑波大学 発明者 : 柳原英人 喜多英治 発明の名称 : 反強磁性的層間結合磁性膜を用いた磁気記録媒体及び磁気記憶装置 特開 特開 出願人 : 筑波大学 発明者 : 柳原英人 喜多英治 発明の名称 : 垂直磁気記録媒体および磁気記憶装置 特出 出願人 : 筑波大学 発明者 : 柳原英人 喜多英治 17

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