CN101097748B - 具有倾斜金属导针的近场光学换能器 - Google Patents
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Abstract
一种光学换能器，包括用于将电磁波引导到聚焦区域的光学元件，以及具有不与电磁波的电场平行的纵向轴线的金属纳米结构。用于引导电磁波的光学元件可由固体浸没透镜、固体浸没镜子、或平面波导中的一种构成。金属纳米结构由金属导针构成。金属纳米结构可构造和设置成用于将能量谐振耦合到记录介质内。
Description
关于联邦赞助研发的声明
本发明受到国家标准和技术协会(National Institute of Standards andTechnology)(NIST)授予的协议No.70NANB1H3056下的美国政府支持。美国政府对本发明有一定的权利。
技术领域
本发明涉及光学换能器，且更具体地涉及具有倾斜金属导针(pin)的光学换能器。
背景技术
在例如热辅助光学/磁数据存储器之类的某些类型数据存储器中，信息位以提高的温度记录在一层存储介质上，且存储介质中的被加热面积决定了数据位的大小。在一种方法中，使用光形式的电磁波加热存储介质。为了获得高的表面数据密度，较佳的是使远低于衍射极限的光点具有高的光通过量以加热介质的存储层。一些现有系统已经将光约束到一个小的光点但没有向存储介质传送合理数量的光能。
热的或热辅助磁性记录(HAMR)通常指局部加热存储介质以降低存储介质的矫顽力，使得施加的写入磁场可在由热源引起的记录介质的暂时磁性软化期间能更容易地控制记录介质的磁化。热辅助磁记录允许使用小粒度介质，这对于以增加的表面密度进行记录是合乎需要的，并在室温时具有较大的磁性异向以确保充分的热稳定性。热辅助磁记录可应用于任何类型的磁存储介质，包括倾斜介质、纵向介质、垂直介质和图案介质。
热辅助磁记录需要有效的技术来向限定为例如50nm或更小光点的记录介质传送大量的光能。表面密度和位的纵横比是确定该尺寸的诸因素之二。根据先前的研究，1Tb/in2需要25nm的光点。业已提出各种换能器设计，且一些已经进行了试验测试。其中有涂覆有金属的玻璃纤维和具有金属壁的中空锥体构件。对于所有这些方法，对光的约束取决于构造在构件端部的小孔并给予这种换能器以“孔式能量引出”的名称。通常这些装置受到致使装置对HAMR记录无效的很低的光传输。例如，锥形和金属化的光纤已经展现出低至约50nm的光约束，但只具有10-6的通过量效率。由各向异性蚀刻的Si晶片制得的锥体探测器已经设计成对类似的光点尺寸具有10-4的通过量效率。尽管这是现有技术的状态，但这对HAMR还小约两个量级。
还提出了固体浸没透镜(SIL)(solid immersion lens)和固体浸没镜子(SIM)(solid immersion mirror)用于将远场光能集中到小光点上。在焦点处光强度非常高，但是光点尺寸仍由衍射极限确定，衍射极限又取决于制造SIL或SIM的材料的折射率。用所有目前已知的透明材料可实现的最小的光点尺寸是～60nm，这对HAMR太大。
金属导针可用作换能器以将光能集中到任意小的平面尺寸。在先前提出的在聚焦点使用金属导针的设计中，导针支持沿导针传播的表面等离体子(plasmon)模式，且表面等离体子模式产生的辐射电场的宽度与导针的直径成正比。对于可利用具有导针构造的换能器的记录头设置，诸如HAMR装置，较佳的是，导针在写入极附近，使得写入极产生的最大磁场与最大热梯度交叠以写入边界清晰的磁暂态(sharp magnetic transients)。但是，已经确定靠近写入极的导针会导致导针的表面等离体子激活停止，这会导致光传输效率降低。此外，装置的光会聚取决于写入极与导针之间的间隙距离，这要求约1-2纳米的对准公差，使得装置更难制造。
需要可使光点尺寸减小、通过量效率增加、且制造要求简化的换能器。
还需要能够提供必要的高强度的新型改进的光学换能器构造以产生具有足够小尺寸的强光点以符合需要这种光点的应用。
还确定需要克服已知光学换能器的限制、不足、或缺点的改进的光学换能器。
发明内容
一种装置，包括构造成并设置成将电磁波引导到聚焦区域的光学元件，以及位于聚焦区域的金属纳米结构。金属纳米结构可以是金属导针，具有与电磁波的电场不平行的纵向轴线。更具体地说，金属纳米结构相对于电磁波的电场以角θ倾斜，其中θ可以是0°<θ≤70°。
本发明还包含光学换能器，光学换能器包括构形成将电磁波引导到聚焦区域的聚光器和位于聚焦区域的倾斜金属导针。
本发明的另一方面包括.一种记录头，记录头包括磁性写入极；设置成邻近磁性写入极并构形成将电磁波引导到聚光器的聚焦区域的聚光器，以及位于聚焦区域的倾斜的金属导针。倾斜的金属导针包括邻近记录头的空气支承表面的第一端，其中第一端与磁性写入极隔开约10nm至约100nm的距离。倾斜的金属导针包括倾斜远离所述磁性写入极的第二端。记录头可构造和设置成用于热辅助磁记录。此外，倾斜的金属导针构造和设置成用于将能量谐振耦合到记录介质内，其中倾斜的金属导针相对于与记录介质的表面正交的平面以角θ倾斜，其中0°<θ≤70°。
附图说明
图1是可包括根据本发明构造的磁头的磁盘驱动器的图形表示。
图2是根据本发明构造的换能器的图示。
图3是根据本发明构造的换能器的局部图示。
图4示出了本发明的另一换能器实施例。
图5示出了相对于一坐标系的金属纳米结构的尺寸和角。
图6是温度升高对导针长度关系的图示。
图7A示出了一已知的磁极和导针设置。
图7B示出了根据本发明的磁极和导针设置。
图7C是温度上升相对于图7A和7B所示结构的磁极和导针之间间隙距离关系的图示。
图8是根据本发明构造的记录头的图示。
具体实施方式
本发明包括可用在用于磁性和/或光学记录介质的磁性和光学记录头的换能器，以及包括这类器件的磁性和/或光学记录头和包括该记录头的磁盘驱动器。图1是可使用根据本发明构造的记录头的磁盘驱动器10的图示。该磁盘驱动器包括尺寸和构造能容纳磁盘驱动器的各部件的壳体12(在该图中移去了上部且下部可见)。该磁盘驱动器包括用于使至少一个数据存储介质16(在该情况下是磁盘)在壳体内旋转的主轴电动机14。壳体12内至少容纳一个臂18，每个臂18具有带有记录和/或读取头或浮动块22的第一端20，和通过轴承26枢转地安装在轴上的第二端24。致动电动机28位于臂的第二端24，用于使臂18枢转到将磁头22置于磁盘16的所要求扇区上。致动电动机28由该图中未示出的控制器调节且在本技术领域是已知的。
对于热的或热辅助磁性记录(在此通常称为热辅助磁记录或HAMR)，将例如可见光红外线或紫外线的电磁波引导到数据存储介质的表面上来升高介质局部区域的温度以便于该区域磁化的转换。业已提出将已知的固体浸没透镜(SIL)用于降低介质上受到电磁辐射的光点的大小。此外，文献中业已描述了固体浸没镜子(SIM)并提出用于热辅助磁记录头。SIL和SIM可以是3维或2维的。包括诸如波模指数透镜(mode index lense)和镜子的聚焦装置的平面波导也可用于使电磁波集中。所有这些结构都可用作使电磁波集中到聚焦区域的装置。诸如金属导针之类的纳米结构可位于聚焦区域附近以将电磁波引导到记录介质的表面上。本发明提供了一种将电磁波耦合到诸如金属导针之类的纳米结构的有效装置。
图2是根据本发明构造的换能器30的图示。诸如激光器32的电磁辐射源产生径向偏振的光束，由箭头34和36表示，光束被传送到物镜38。固体半球形透镜40接受光并将其集中到聚焦区域42。细长金属纳米丝形式的纳米结构44，也称为导针，位于聚焦区域42上或附近或邻近。通过物镜将越过透镜孔径具有单位功率的光聚焦到半球形的中心，并照亮金属导针44。磁性存储介质46包括存储层48(可以是一层12nm厚的钴合金或多层钴和/或铁)、热吸收层50(可以是一层100nm厚的金)和基层52，该磁性存储介质46位于换能器30下方。换能器的一端可通过例如10nm的空气间隙54与存储介质的表面分开。在一实例中，物镜的数值孔径是0.85，且固体半球的折射率是2.09。纳米结构的端部通过间隙56与固体半球透镜40分开。间隙56的长度应小于50nm。透镜内的电场瞬时地耦合跨过透镜的底部表面进入纳米结构。对于本说明书中的计算数据，使用例如钴的光学性能来简化计算。
在图2中，X、Y、Z是右手笛卡尔坐标系的三个轴线。坐标系的原点(x，y，z)＝(0，0，0)是固体半球40的底部表面的中心，它也是聚焦点。
本发明提供了一种近场光学换能器，包括用于将电磁波聚集到聚焦区域的光学元件，和诸如金属导针之类的细长金属纳米结构。在本发明的一方面，纳米结构可位于直接邻近但在由聚光元件产生的聚焦平面外部的区域。纳米结构的长轴线不与光传播方向平行。光源通过光学元件聚焦到纳米结构一端附近的区域。用于照亮纳米结构的聚焦的光束具有波模轮廓，使得纳米结构的长轴线不与聚焦光束的电场平行。换能器限制光并增强纳米结构另一端的磁场。为了存储数据，使换能器靠近存储层附近。在本发明的该方面，金属纳米结构在较低指数介质的聚光器外部而不是嵌入高指数介电材料或嵌入聚焦光学元件。这产生了改进的电场增强并可将大量的光能传送到图案化的存储介质。
图3是根据本发明构造的换能器130的局部示图。类似于图2所示和在此描述的换能器30，诸如激光器132之类的电磁辐射源产生径向偏振的、由箭头134和136所示的光束，该光束被传送到物镜138。固体半球形透镜140接受光并将其会聚在聚焦区域142。细长金属纳米丝形式的纳米结构144，也称为导针，位于聚焦区域142附近。在本发明的该实施例中，导针144至少部分位于透镜140内。类似于图2所示和在此描述的金属导针44，导针144倾斜从而具有不与电磁波134和136的电场平行的纵向轴线。
图4示出了本发明的附加实施例，其中径向偏振的光束230和231通过聚光器232被聚焦到倾斜的金属导针244上。聚光器可以是整合在一平面波导中的例如三维旋转抛物面镜或椭球面镜，或二维抛物线或椭球面镜。
图5示出了如图2所示和在此描述的用于倾斜金属导针44的宽度W(沿X和Z轴线)、长度L、和从Y轴线的倾斜角θ。应当理解，在此阐述和图5所示的对倾斜金属导针44的说明同样适用于图3所示的倾斜金属导针144和图4所示的倾斜金属导针244。
仍然参见图5，Y轴线对应于图2所示径向偏振的光束34和36的电场方向。此外，Y轴线对应于与也由图2所示的存储介质46的表面正交的平面。倾斜角θ可以是0°<θ≤70°。用于倾斜金属导针44的宽度W可以在约10nm至约200nm范围内。倾斜金属导针44的长度L可以在约10nm至约500nm范围内。
根据本发明的换能器，诸如图2所示的换能器30的操作，已经对其中诸如倾斜金属导针44的纳米结构包括金属导针或银导针的换能器进行了模拟。在一模拟中，使用的金属导针沿X轴线为48nm宽且沿Z轴线为48nm宽。倾斜金属导针44的第一端45位于最靠近存储介质46的存储层48。倾斜的金属导针44具有相对的第二端47。倾斜的金属导针44具有纵向轴线49，如图5所示。
在例如图2所示的本发明的一实施例中，存储层48是24nm厚的钴膜且热吸收层50是100nm厚的金膜。物镜38的数值孔径是0.85，且固体半球形透镜40的折射率是2.09。倾斜的金属导针44是金的或银的且沿X和Z轴都是48nm宽。可调节倾斜的金属导针44的长度L以进行优化。在θ等于零时，倾斜的金属导针垂直于存储层48并平行于来自光束34和36的激发光的电场。在θ不等于零时，导针从法线方向倾斜且不与光束34和36提供的激发光的电场平行。在一实施例中，激发光是具有833nm波长的激光。复折射率对于金导针和金膜是0.188+j5.89，且复折射率对于用来形成存储层48的钴膜是2.53+j4.88。
在热模拟中，假设涉及的所有材料，包括固体半球、金导针、存储层、热吸收层、和基质的光学性能(折射率)和热性能(比热C和导热系数K)是与温度无关的。在热计算中不考虑从金导针到存储介质的热流量。还假设对所有的材料比热是C＝2焦耳/cm3/℃，且对存储层导热系数K＝0.1瓦特/cm/℃(是体积值的约十分之一)，对于金热吸收层是K＝3瓦特/cm/℃，且对于基质是K＝0.1瓦特/cm/℃。
图6示出了不同倾斜角θ下存储层48表面的温度上升对导针长度L的关系。如在此所述那样，零倾斜角相当于具有与电磁波的电场平行的纵向轴线的竖直导针，且对于不等于零的所有倾斜角，倾斜金属导针都不与电磁波的电场平行。计算结果显示温度是导针倾斜角的函数。
图7A示出了已知的竖直金属导针60，即具有等于零的倾斜角，位置邻近磁极62。图7B示出了根据本发明的倾斜金属导针44，位置邻近磁极62。竖直导针60与磁极62分开间隙距离G1，且应当理解，竖直导针60的整个长度与磁极62分开同样的间隙距离G1。倾斜的金属导针44在导针44的第一端45与磁极62分开距离G2。G1和G2可在约10nm至约100nm范围内。导针44的第二端47倾斜远离磁极62。为了比较，图7C示出了温度上升分别对竖直导针60和倾斜导针44的间隙距离G1或G2的关系。可见在两种情况下，温度上升随着导针靠近磁极而下降。但是下降的量取决于导针相对于磁极的布置。当导针以45°倾斜，温降远低于没有倾斜的导针-磁极布置所观察的温降。
另一方面，本发明包含包括上述换能器的磁记录头。图8是根据本发明构造的磁-光记录头350的图示。记录头350位于磁记录介质352邻近。尽管本发明的实施例在此参照作为垂直磁记录头的记录头350和作为垂直次记录介质的介质352进行描述，但应当理解，本发明的各方面也可与可能要求采用热辅助记录的其它类型的记录头和/或记录介质结合使用。具体地说，记录头350可包括写入部分，写入部分包括通过轭或基架358磁性耦合的主写入极354和返回或相对极356。应当理解，记录头350可构造成仅具有写入极354而没有返回极356或轭358。磁化线圈360环绕轭或基架358以给记录头350励磁。记录头350也可包括读取头(未示出)，它可以是本技术领域通常已知的任何常规类型的读取头。或者波导可位于磁极的另一侧。在另一实例中，导针和磁极可以是相同材料，在该情况下导针可用作电磁换能器和场源两者。
还参见图8，记录介质352位于记录头350邻近或下方。记录介质352包括基质362，它可由诸如陶瓷玻璃或非晶玻璃的任何适当材料制成。热吸收层和/或软磁质下层364可置于基质362上。软质磁下层364可由诸如具有Co、F、Ni、Pd、Pt或Ru的合金或多层之类的任何适当材料制成。热吸收层可由诸如Au、Ag、Cu或A1的任何适当层制成。硬质磁记录层366设置在软质下层364上，在硬质层366中包含有基本上垂直取向的磁畴。用于硬质磁记录层366的适当硬质磁材料可包括从例如具有在环境温度下相对高各向异性的FePt或CoCrPt合金中选择至少一种材料。
记录头350还包括平面波导368，它将从光源接受的光引导到记录介质表面上以在靠近写入极354将磁写入场H施加到记录介质352处加热磁记录介质352。平面波导包括光发射层370。光学波导368与发射光的光源372例如通过光纤374关联作用，光纤374通过诸如光栅376的耦合装置耦合到光学波导368上。光源372可以是例如激光二极管，或其它适当激光源。这保证了可通过光学波导368朝向记录介质传播的光引导模的产生。总的由标号380表示的电磁辐射，从倾斜金属导针382发射以加热记录介质352，且更具体地用于加热记录层366的局部区域384。
在热辅助磁记录中，换能器用于加热存储介质的一部分且存储介质被加热的部分受到磁场以影响存储介质中存储层的磁化。磁-光记录头还可包括本技术领域已知的读取器。
光学波导368可根据上述任何波导构造。本发明的波导还可用于诸如一次写入且相变记录的不需要磁场的光记录应用，或诸如磁—光记录的外磁铁可位于基体以下的情况。或者，这些结构有可能用于探测存储应用或用于高清晰度的近场光刻或用于高清晰度近场显微术。
本发明的换能器使用的导针的尺寸使得在导针处的等离体子模式由电子的集体振动产生。这也称为导针的双极等离体子共振。实例中描述的导针结构具有几百纳米或更少的尺寸。因此，它们可描述为纳米微粒或纳米结构。该共振包括由于导针的形状和大小的几何影响。通常要求金属导针具有2：1或更大的纵横比(长度比宽度)。但是导针的纵横比的优化取决于各种因素，诸如形状、材料、周围介质的介电常数、以及波长。圆柱体的纵横比是圆柱体的高度对圆柱体的直径的比值。矩形导针的纵横比是导针的高度对导针的宽度的比值。对于回转椭圆体，纵横比是长轴的长度对短轴的长度的比值。
尽管本发明依照几个实例进行了描述，但应当理解，本技术领域的技术人员很明显可对所揭示实例进行各种改变，而不偏离以下权利要求书阐述的本发明的范围。
Claims (19)
1.一种用于热辅助磁记录的光学换能器，包括：
光学元件，构造成并设置成将电磁波引导到聚焦区域；以及
金属纳米结构，位于所述聚焦区域并具有与所述电磁波的电场不平行的纵向轴线；
所述金属纳米结构由金属导针构成。
2.如权利要求1所述的光学换能器，其特征在于，所述金属纳米结构位于所述光学元件外部。
3.如权利要求1所述的光学换能器，其特征在于，所述金属纳米结构至少部分位于所述光学元件内部。
4.如权利要求1所述的光学换能器，其特征在于，所述金属纳米结构与所述光学元件的一端分开小于50nm的间隙。
5.如权利要求1所述的光学换能器，其特征在于，所述金属纳米结构相对于所述电磁波的电场以角θ倾斜，其中0°＜θ≤70°。
6.如权利要求1所述的光学换能器，其特征在于，所述金属纳米结构构造成并设置成将能量谐振耦合到记录介质内。
7.如权利要求6所述的光学换能器，其特征在于，所述金属纳米结构相对于与记录介质的表面正交的平面以角θ倾斜，其中0°＜θ≤70°。
8.如权利要求1所述的光学换能器，其特征在于，所述光学元件包括固体浸没透镜、固体浸没镜子、或平面波导中的一个。
9.一种用于热辅助磁记录的光学换能器，包括：
聚光器，构形成将电磁波引导到聚焦区域；以及
倾斜的金属导针，位于所述聚焦区域并具有与所述电磁波的电场不平行的纵向轴线。
10.如权利要求9所述的光学换能器，其特征在于，所述倾斜的金属导针相对于所述电磁波的电场以角θ倾斜，其中0°＜θ≤70°。
11.如权利要求9所述的光学换能器，其特征在于，所述倾斜的金属导针位于所述聚光器的外部。
12.如权利要求9所述的光学换能器，其特征在于，所述倾斜的金属导针至少部分位于所述聚光器内部。
13.一种用于热辅助磁记录的记录头，包括：
磁性写入极；
聚光器，设置成邻近所述磁性写入极，所述聚光器构形成将电磁波引导到所述聚光器的聚焦区域；以及
倾斜的金属导针，位于所述聚焦区域并具有与所述电磁波的电场不平行的纵向轴线。
14.如权利要求13所述的记录头，其特征在于，所述倾斜的金属导针相对于所述电磁波的电场以角θ倾斜，其中0°＜θ≤70°。
15.如权利要求13所述的记录头，其特征在于，所述倾斜的金属导针包括邻近所述记录头的空气支承表面的第一端，所述第一端与所述磁性写入极隔开约10nm至约100nm的距离。
16.如权利要求13所述的记录头，其特征在于，所述倾斜的金属导针包括第二端，所述第二端倾斜远离所述磁性写入极。
17.如权利要求13所述的记录头，其特征在于，构造和设置成用于热辅助磁记录。
18.如权利要求13所述的记录头，其特征在于，所述倾斜的金属导针构造和设置成用于将能量谐振耦合到记录介质内。
19.如权利要求18所述的记录头，其特征在于，所述倾斜的金属导针相对于与记录介质的表面正交的平面以角θ倾斜，其中0°＜θ≤70°。
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