CN1441420A - 介电记录介质的记录条件提取系统和方法及信息记录设备 - Google Patents

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Abstract

介电记录介质的记录条件提取系统用于获得将信息记录在介电记录介质中时所记录的外加电压和施加时间长度。记录条件提取系统设有：外加电压设定装置；施加时间长度设定装置；记录控制装置；外加电压/施加时间长度记录装置；记录装置；点半径测量装置；点半径记录装置；最佳点半径检测装置；记录条件确定装置和输出装置。外加电压设定装置和施加时间长度设定装置分别设定施加到记录装置的探针的电压和时间。在点半径测量装置测量在记录装置记录的极化域的点半径，在最佳点半径检测装置获得最佳极化域。提取已经形成极化域的外加电压和施加时间长度作为最佳记录条件。

Description

介电记录介质的记录条件提取 系统和方法及信息记录设备
                          技术领域
本发明涉及一种用于获得介电记录介质的最佳记录条件的记录条件提取系统和记录条件提取方法，所述介电记录介质以高密度在介电物质的微域中记录信息，本发明还涉及信息记录设备。
                          背景技术
近来，已经开发了多种类型的介电材料和压电材料，它们大多用于超声元件、光学元件、存储器等。实际上，已经开发了测量介电材料的剩余极化分布和压电材料的局部各向异性的方法。而且，用这一技术，开发了在介电材料中记录信息和再现信息的另一技术。
通常，为了观察介电物质的极化域，有一种方法是通过化学腐蚀来利用平面方向上的腐蚀速度差。然而，该方法中只可用μm级的分辨率(resolution)，因为直到实际观察前都需要通过化学腐蚀等过程，所以需要时间。对于微域，有一种方法是用AFM(原子力显微镜)设备来向介电材料施加高频电压并利用这时的压电响应。然而，该方法中，难以在nm级上获得对微域有足够S/N比的检测信号。
本发明的发明人已经开发了SNDM(扫描非线性介电显微镜(microscopy))用于形成和观察微域。该设备可以观察级的介电物质的极化域并通过向介电物质施加电场来形成人工极化域。然而，几乎没有以好的再现性形成微极化域的具体条件提取方法，该微极化域具有用于记录和再现的稳定电平。
如果以介电材料形成极化域并作为信息来记录的话，就有必要通过从外部施加强度大于介电材料的矫顽电场的电场，以外部电场的方向部分校准介电物质的极化。本发明的发明人已经用上述SNDM对PZT膜和LiTaO3晶体形成了次μm级的微域，但是，它们不够稳定。同时，很少有研究者报告形成稳定的次μm微域的技术，当前条件下，次μm微域适于以高记录密度向介电材料记录和再现。
                            发明内容
因而，本发明的一个目的是提供介电记录介质的一种记录条件提取系统和记录条件提取方法，以及信息记录设备，以便在电材料中形成高密度和稳定的微域。
可以用介电记录介质的记录条件提取系统来实现本发明的上述目的，该记录条件提取系统用于用探针向介电记录介质施加电压和提取用于记录信息的记录条件。记录条件提取系统设有：外加电压设定装置，用于设定要施加到介电记录介质的外加电压；施加时间长度设定装置，用于设定所设的外加电压的施加时间长度；极化域形成装置，用于根据所设的外加电压和所设的施加时间长度，从探针向介电记录介质施加电压，以形成极化域；和测量装置，用于测量极化域形成装置所形成的极化域的尺寸。
根据介电记录介质的记录条件提取系统，为了在介电记录介质中记录，有可能确定要施加到电极的最佳外加电压和施加外加电压的最佳施加时间长度。最佳外加电压和最佳施加时间长度是形成稳定且最小的极化域的外加电压和施加时间长度。施加时间长度是施加脉冲宽度并确定依次记录信息时的记录速度，使得越短越好。
通过用一些外加电压和施加时间长度的组合向介电记录介质施加电压，测量这时形成的极化域的尺寸，并检查关于所获得的极化域、外加电压和施加时间长度等的尺寸的数据，获得最佳外加电压和最佳施加时间长度。
介电材料的材料和厚度、探针半径等影响极化域的形成。在使用相同介电物质和相同探针半径的材料和厚度的记录设备，有可能通过将外加电压和施加时间长度设为如上获得的外加电压和施加时间长度，设定能以最高速度和最高密度形成最稳定极化域的记录条件。
在介电记录介质的记录条件提取系统的一个方面，设有检测装置，用于根据测量装置的测量结果，检测介电记录介质中形成的极化域是否稳定且最小。
根据这一方面，从关于测得的极化域的数据检测由外加电压和施加时间长度的多种组合来形成而且极化域不消失且保持的最小极化域，即，稳定且最小的极化域。例如，有一个点，在这个点上，因为响应外加电压和施加时间长度的减小形成的极化域快速减小，所以在没有极化域不消失的情况下，难以保持。检测这时的极化域。
在介电记录介质的记录条件提取系统的另一方面，还设有条件确定装置，如果检测装置测得的极化域是稳定且最小的，用于将已经形成极化域的外加电压和施加时间长度确定为最佳记录条件。
根据这一方面，如果检测装置测得了稳定且最小的极化域，就将这时的外加电压和施加时间长度确定和提取作为最佳记录条件，用于以高密度和高速度形成极化域。因而，如果可以知道稳定且最小的极化域(无论视觉观察还是自动检测)，就有可能根据它确定外加电压和施加时间长度的最佳条件。
与本发明有关的相对于术语“极化域尺寸”的术语“最小”不意味着理想的或字面上的最小值，而是意味着它取决于记录条件提取系统的分辨率和再现性，还意味着它从理想或字面上的最小值到极化域稳定侧有某种程度的宽度或范围，极化域稳定侧正如高压侧或长时间长度侧。根据记录条件提取系统，实验性地、经验性地、理论上地或通过模拟来确定与“最小”有关的宽度或范围，它不限于自身的物理改变。关于外加电压和施加时间长度的“最佳”记录条件表示以上述方式形成“最小”极化域的外加量和施加时间长度的值。
介电记录介质的记录条件提取系统的另一方面中，设有另一条件确定装置，用于根据所述检测装置测得的稳定且最小的极化域的尺寸来确定极化域尺寸的允许范围，并确定形成其尺寸在允许范围内的极化域所需的外加电压和施加时间长度。
上述条件确定装置确定形成检测装置测得的稳定且最小的极化域尺寸所需的外加电压和施加时间长度。然而，根据这一方面的条件确定装置根据检测装置测得的稳定且最小的极化域的尺寸来确定极化域尺寸的允许范围，并确定形成其尺寸在允许范围中的极化域所需的外加电压和施加时间长度。理论上，稳定且最小的极化域尺寸为1。然而，实际上，允许在允许范围内改变极化域的尺寸。例如，根据信息记录或再现设备的功能条件来确定允许范围。更具体地说，确定它以便保持信息记录或再现设备的记录速度或记录密度的限度。这样，有可能改善关于设定电压施加时间长度或设定极化域尺寸的自由度。
介电记录介质的记录条件提取系统的另一方面中，通过用电压设定装置相对于施加时间长度设定装置所设定的预定施加时间长度来设定多个外加电压，形成多个极化域。
根据这一方面，首先，设定施加时间长度，即，脉冲宽度，用脉冲宽度施加多个电平的电压，以依次形成极化域。依次在预定范围中改变电压并施加该电压之后，设定下一脉冲宽度并以相同方式施加该电压，从而收集数据。可以快速而完全地获得关于外加电压、施加时间长度和极化域的数据。
介电记录介质的记录条件提取系统的另一方面中，外加电压设定装置设有：用于设定外加电压的初始电压的装置；用于设定要加到初始电压上的阶跃电压的装置；和用于设定加上阶跃电压的数量的装置，每当形成极化域时，外加电压设定装置就依次将阶跃电压加到外加电压上并且自动设定外加电压直到达到设定数。
根据这一方面，通过根据预定规则的运算依次获得外加电压，然后，所获得的电压依次在探针上施加预定时间长度，自动形成极化域。例如，如果初始外加电压是V0，阶跃电压是ΔV，执行数是n0，用V＝V0+ΔV×n(n≤n0)来运算第n个外加电压V，施加该电压。
介电记录介质的记录条件提取系统的另一方面中，通过用施加时间长度设定装置相对于外加电压设定装置所设定的预定外加电压设定多个施加时间长度，形成多个极化域。
根据这一方面，首先，设定要施加的电压，用多种脉冲宽度施加外加电压以形成极化域。在预定范围内改变脉冲宽度并施加它之后，设定下一外加电压并以相同方式形成极化域，从而收集数据。可以迅速而完全地获得关于外加电压、施加时间长度和极化域的数据。
介电记录介质的记录条件提取系统的另一方面中，施加时间长度设定装置设有：用于设定施加时间长度的初始时间长度的装置；用于设定要加到初始时间长度的阶跃时间长度的装置；和用于设定加上阶跃时间长度的数量的装置，每当形成极化域时，所述施加时间长度设定装置就依次将阶跃时间长度加到施加时间长度上，和自动设定施加时间长度直到达到设定数。
根据这一方面，通过根据预定规则的运算依次获得施加时间长度，然后，将设定的外加电压依次施加运算的时间长度，自动形成极化域。例如，如果初始施加时间长度是T0，阶跃时间长度是ΔT，执行数是m0，用T＝T0+ΔT×m(m≤m0)来运算第m个施加时间长度T，以脉冲宽度施加外加电压。
介电记录介质的记录条件提取系统的另一方面中，设有存储装置，用于存储：外加电压，由外加电压设定装置来设定并施加该电压；施加时间长度，用施加时间长度设定装置来设定并将外加电压施加所述施加时间长度；和由测量装置测得的极化域的尺寸。
根据这一方面，相对于外加电压和施加时间长度的所有组合来记录或存储要施加的电压、施加的时间长度和这时形成的极化域尺寸。它们用作获得最佳记录条件时的数据。
介电记录介质的记录条件提取系统的另一方面中，还将关于介电记录介质的材料和厚度以及关于施加外加电压的探针半径的信息存储在存储装置中。
根据这一方面，除了要施加的电压、施加时间长度和这时形成的极化域尺寸之外，将要使用的介电材料的材料和厚度以及要使用的探针半径作为数据来记录或存储。关于它们的信息用作获得最佳记录条件时的数据。
介电记录介质的记录条件提取系统的另一方面中，设有输出装置，用于以预定格式输出：外加电压信息，表示外加电压设定装置所设定并施加的外加电压；施加时间长度信息，表示施加时间长度设定装置所设定的施加时间长度，将外加电压施加所述施加时间长度；和尺寸信息，表示测量装置测得的极化域的尺寸。
根据这一方面，任何情况下，都有可能以预定格式输出关于要施加的电压、施加时间长度和这时形成的极化域尺寸的信息。例如，作为输出装置，有个人电脑、打印机、监控器等。还可能通过从输出装置输出的数据的视觉观察来获得最佳条件。
介电记录介质的记录条件提取系统的另一方面中，检测装置根据存储在存储装置中的信息来检测在介电记录介质中形成的极化域是否稳定且最小。
根据这一方面，根据关于极化域的存储数据选择所形成的稳定且最小的极化域。有可能用计算机以统计方法利用数据来运算，还可能运算不是实际形成的最佳尺寸。
介电记录介质的记录条件提取系统的另一方面中，从输出装置输出关于稳定且最小并由检测装置检测的极化域的信息以及关于其尺寸的信息，以及关于外加电压设定装置设定并施加的外加电压的信息和关于施加时间长度设定装置设定的施加外加电压的施加时间长度的信息。
根据这一方面，将获得的最佳极化域尺寸及关于形成极化域时获得的外加电压和施加时间长度的信息输出到个人电脑、打印机、监控器等。如果这时的外加电压和施加时间长度实际上不用于形成极化域，就可以用电脑运算最佳值并输出该值。
介电记录介质的记录条件提取系统的另一方面中，根据介电记录介质固有的矫顽电场的值来执行由施加时间长度设定装置的最短施加时间长度设定。
根据这一方面，最初设定的外加电压的最小值是可以形成与要使用的介电材料的矫顽电场值相反的电场的电压。因此，有可能知道要施加的电压的下限值并避免测试无用电压范围内极化域的形成。
介电记录介质的记录条件提取系统的另一方面中，介电记录介质的介电材料是铁电材料。
根据这一方面，铁电材料用作介质材料。
介电记录介质的记录条件提取系统的另一方面中，介电记录介质的介电材料是LiTaO3。
根据这一方面，因其低介电常数而与探针施加的电场无关的易于反转极化的LiTaO3用作介质材料，可以容易地构成如介电记录介质的形式，以便记录到LiTaO3的Z表面上，在它的上面极化+表面和-表面有180度域的关系。
介电记录介质的记录条件提取系统的另一方面中，设有扫描非线性介电显微镜，作为用于测量极化域的尺寸的测量装置。
根据这一方面，有可能用扫描非线性介电显微镜精确而快速地测量极化域的尺寸。
本发明的上述目的可以用介电记录介质的记录条件提取方法来实现，用探针将电压施加到介电记录介质并提取用于记录信息的记录条件。记录条件提取方法设有：外加电压设定过程，设定要施加到介电记录介质的外加电压；施加时间长度设定过程，设定所设的外加电压的施加时间长度；极化域形成过程，根据所设的外加电压和所设的施加时间长度将外加电压施加到介电记录介质，以形成极化域；测量过程，测量在极化域形成过程中形成的极化域的尺寸；检测过程，检测在介电记录介质中形成的极化域是否稳定且最小；和条件确定过程，如果在检测过程中测得极化域是稳定且最小的，就将已经形成极化域的外加电压和施加时间长度确定为最佳记录条件。
根据介电记录介质的记录条件提取方法，为了在介电记录介质中高密度或高速度记录，确定要加到电极的最佳外加电压和施加外加电压的最佳时间长度，即，脉冲宽度。
外加电压设定过程和施加时间长度设定过程中，设定要施加到探针的电压施加条件，即，外加电压和施加时间长度。在极化域形成过程中，探针与介电物质相接，根据所设电压的施加条件施加电压，从而形成极化域。在测量过程中，测量所形成的极化域的尺寸。在检测过程中，从在电压的多种施加条件下形成的极化域检测稳定且最小的极化域。此外，在条件确定过程中，从检测过程中测得的最佳极化域确定形成最佳极化域时获得的外加电压和施加时间长度作为最佳记录条件。
通过上述过程之后，有可能提取适于高密度和高速度记录的外加电压和施加时间长度。
介电记录介质的记录条件提取方法的一个方面中，设有另一条件确定过程，根据在所述检测过程中测得稳定且最小的极化域的尺寸来确定极化域尺寸的允许范围，并确定形成其尺寸在允许范围内的极化域所需的外加电压和施加时间长度。
上述条件确定过程确定形成检测过程测得的稳定且最小的极化域的一个尺寸所需的外加电压和施加时间长度。然而，根据这一方面的条件确定过程根据检测过程测得的稳定且最小的极化域的尺寸来确定极化域尺寸的允许范围，并确定形成其尺寸在允许范围内的极化域所需的外加电压和施加时间长度。理论上，稳定且最小的极化域的尺寸是1。然而，实际上，允许在允许范围内改变极化域的尺寸。例如，根据信息记录或再现设备的功能条件来确定允许范围。更具体地说，确定它以便保持信息记录或再现设备的记录速度或记录密度的限度。这样，有可能改善关于设定电压施加时间长度或极化域尺寸的自由度。
介电记录介质的记录条件提取方法的另一方面中，还设有存储过程，存储：外加电压，在外加电压设定过程中设定并施加；施加时间长度，在施加时间长度设定过程中设定，将电压施加所述施加时间长度；和在测量过程中测得的极化域尺寸。
根据这一方面，记录或存储形成极化域时获得的外加电压和施加时间长度以及极化域的尺寸，当提取最佳记录条件时使用它们。
介电记录介质的记录条件提取方法的另一方面中，还设有输出过程，以预定格式输出：外加电压信息，表示外加电压设定过程设定的并被施加的外加电压；施加时间长度信息，表示施加时间长度设定过程所设定的施加时间长度，将外加电压施加该施加时间长度；和尺寸信息，表示测量过程测得的极化域的尺寸。
根据这一方面，将形成极化域时获得的外加电压和施加时间长度和极化域的尺寸输出到输出装置，诸如个人电脑、打印机、监控器等。
介电记录介质的记录条件提取方法的另一方面中，检测过程根据在存储过程中存储的信息检测在介电记录介质中形成的极化域是否稳定且最小。
根据这一方面，可以根据在存储过程中存储的信息获得稳定且最小的极化域。
介电记录介质的记录条件提取方法的另一方面中，在输出过程中输出关于在检测过程中测得稳定且最小的极化域的信息，以及关于在外加电压设定过程中设定的外加电压的信息和关于在施加时间长度设定过程中设定的并且施加外加电压的施加时间长度的信息。
根据这一方面，将形成极化域时的外加电压和施加时间长度以及关于在检测过程中测得的稳定且最小的极化域的信息输出到输出装置，诸如个人电脑、打印机、监控器等。
可以用介电记录介质的信息记录设备用于记录信息来实现本发明的上述目的，该信息记录设备用于向介电记录介质施加电压以形成极化域。信息记录设备设有：外加电压设定装置，用于设定要施加到介电记录介质的电压的最佳外加电压；和施加时间长度设定装置，用于设定要施加到介电记录介质的电压的最佳施加时间长度。
根据本发明的信息记录设备，由于该信息记录设备设有外加电压设定装置和施加时间长度设定装置，有可能根据介电记录介质的材料特性和材料厚度以及该设备的探针半径来设定记录的最佳记录条件。
本发明的信息记录设备的一个方面中，设有记录信息再现装置，用于再现记录在介电记录介质中的信息。
根据这一方面，由于设有外加电压设定装置和施加时间长度设定装置的信息记录设备有再现功能，所以有可能再现记录在记录介质中的信息以及用最佳记录条件来记录。
结合下面对附图的简要描述，从下文参考本发明最佳实施例的详细描述，本发明的性质、应用和其它特点将更加明了。
                           附图说明
图1是显示用于获得介电记录介质的记录条件的记录条件提取系统的结构的框图；
图2是显示记录条件提取系统的操作流程的流程图；
图3A到3D是显示介电记录介质的记录条件的示意图，图3A显示了在探针末端形成极化域的情形，图3B显示了极化域进一步增长的情形，图3C显示了极化域到达记录介质背面且极化域完全形成的情形，图3D显示了探针在记录介质中的电场的强度分布；
图4是显示在12V外加电压和25nm探针半径时电压施加时间长度和点半径之间关系的测量图；
图5是显示在15V外加电压和25nm探针半径时电压施加时间长度和点半径之间关系的测量图；
图6是显示在18V外加电压和25nm探针半径时电压施加时间长度和点半径之间关系的测量图；
图7是显示用探针形状作参数时介电物质的厚度和反转极化域的最小电压之间关系的示意图；
图8是显示当相对于最佳点半径设定确定允许值时点半径和电压施加时间长度之间关系的图；
图9是显示当相对于最佳点半径设定确定允许值时记录条件提取系统的操作流程的流程图；
图10是显示信息记录设备的一个实例的示意图，它使用介电记录介质，其中用本发明的提取方法设定记录条件；和
图11是解释用于信号检测的锁定放大器的结构及其信号检测操作的示意图。
                        具体实施方式
(I)第一实施例
参考图1到图7描述本发明的介电记录介质的记录条件提取系统和方法。图1是显示用于获得介电记录介质的记录条件的记录条件提取系统的结构的框图。图2是显示记录条件提取系统的操作流程的流程图。图3A到3D是显示介电记录介质的记录条件的示意图，图3A显示了在探针末端形成极化域的情形，图3B显示了极化域进一步增长的情形，图3C显示了极化域到达记录介质背面且极化域完全形成的情形，图3D显示了用探针的在记录介质中的电场的强度分布。图4到图6是显示电压施加时间长度和点半径之间关系的测量图。图7是显示用探针形状作参数时介电物质的厚度和反转极化域的最小电压之间关系的示意图。
本发明的记录条件提取系统要获得在介电记录介质中记录信息时记录的条件。具体地说，记录条件提取系统获得放在介电记录介质的背面上的电极和与介电记录介质的记录表面邻接的探针之间施加的电压，并进一步获得向介电记录介质施加的时间长度，即，脉冲宽度。通过根据提取的条件向介电记录介质施加电压，这时的极化域形成为维持稳定条件的最小半径的点。该点相应于记录信息的一个单位，其记录时间短。此外，它能设定高记录密度的记录条件。另外，介电记录介质的材料和厚度、探针半径等影响最佳外加电压和最佳施加时间长度。
如图1中框图所示，与本发明有关的介电记录介质的记录条件提取系统1设有：外加电压设定装置11；施加时间长度设定装置12；记录控制装置13；外加电压/施加时间长度记录装置14；记录装置15；点半径测量装置16；点半径记录装置17；最佳点半径检测装置18；记录条件确定装置19；和输出装置20。
介电记录介质37在其一面上配备有介电物质35和电极36。当向与另一面邻接的探针31施加电压时，根据探针31和电极36之间产生的电场形成极化域，然后记录信息。这种情况下，预先将介电物质35的极化域初始化为+表面和-表面并向探针31施加使极化反转的电压就有可能获得数据更好的S/N比。
外加电压设定装置11设定施加到记录装置15的探针31的电压。作为设定外加电压的形式，例如，外加电压设定装置11设有：一种装置，用于输入初始外加电压V0、逐步施加的阶跃电压/ΔV、施加数n0；一种装置，用于运算外加电压V＝V0+/ΔV×n(n≤n0)，根据施加数自动计算外加电压V。此外，不限于此，也可能在施加该电压的任何时候手动设定任意电压。
施加时间长度设定装置12设定施加到记录装置15的探针31的电压的施加时间长度。作为设定施加时间长度的形式，例如，施加时间长度设定装置12设有：一种装置，用于输入初始施加时间长度T0、逐步施加的阶跃时间长度ΔT、施加数m0；一种装置，用于运算施加时间长度T＝T0+ΔT×m(m≤m0)，按照施加数自动计算施加时间长度T。此外，不限于此，也可能在施加的任何时候手动设定任意的施加时间长度。
记录控制装置13根据在外加电压设定装置11设定的外加电压V和在施加时间长度设定装置12设定的施加时间长度T控制记录装置15，以形成极化域。此外，记录控制装置13以在形成极化域的任何时候都能与所形成的极化域相对应的形式在外加电压/施加时间长度记录装置14记录外加电压V和施加时间长度T的数据。另外，初始外加电压V0和初始施加时间长度T0设为最小电压和脉冲宽度，这可根据介电物质35的矫顽电场形成与之相反的极化域。
外加电压/施加时间长度记录装置14在形成极化域时以能与所形成的极化域相对应的形式记录外加电压V和所施加的施加时间长度T。如果从通过组合多种外加电压V和多种施加时间长度T所形成的极化域中获得用于记录的最佳极化域，就可以确定已经形成最佳极化域的外加电压V和施加时间长度T的组合。
记录装置15会根据来自记录控制装置13的记录条件形成相对于介电记录介质37的极化域。探针31向介电记录介质37的介电物质35施加电压以形成点。记录条件是外加电压V和施加时间长度T，用外加电压设定装置11和施加时间长度设定装置12顺次改变它们的值。每当探针31和介电记录介质37形成点时，它们的相对位置都由未示出的移动机构移动，它们用下一电压施加条件在新记录域中形成另一点。
点半径测量装置16用在记录装置15形成的极化域测量点的尺寸。作为用于测量的装置，使用了通过化学腐蚀记录介质的记录表面来测量并检测腐蚀速度差的方法、通过用AFM设备向介电材料施加高频电压来测量并检测压电响应的方法以及本发明的发明人提出的SNDM法。图1所示的点半径测量装置16用探针31以字母L所示的方向在介电物质35上扫描，更具体地说，用第三实施例中解释的电装置测量点半径。
点半径记录装置17依次记录在点半径测量装置16测得的极化域38的点半径。以能与关于形成点的外加电压V和施加时间长度T的信息相对应的形式记录该点。例如，以相应于形成顺序的顺序记录可以相应于在外加电压/施加时间长度记录装置14记录的外加电压V和施加时间长度T的顺序。
最佳点半径检测装置18从记录在点半径记录装置17的数据检测稳定且最小的点。作为检测方法，可以想象用统计方法从点半径与施加时间长度T的关系计算或者从点半径与施加时间长度T的测量图来确定，如图4到6所示，解释如下。
记录条件确定装置19确定外加电压V和施加时间长度T，以从最佳点以及从外加电压V和施加时间长度T形成稳定且最小的点，在最佳点半径检测装置18测得所述最佳点，在外加电压/施加时间长度记录装置14记录外加电压V和施加时间长度T并设定和施加它们用于形成最佳点。该最佳外加电压V和施加时间长度T不限于实际设定值，但在某些情况下可以通过统计运算获得作为它们的中间值。
输出装置20在将记录在外加电压/施加时间长度记录装置14中的数据与记录在点半径记录装置17中的数据相关之后输出，并输出获得的外加电压V、施加时间长度T等，以形成稳定且最小的点。作为输出设备，有个人电脑、打印机、监控器等。此外，有可能从表示点半径、外加电压V和施加时间长度T之间关系的输出估计和获得最佳记录条件。
如上所述，根据本发明的介电记录介质的记录条件提取系统，有可能响应于介电物质的材料和厚度、探针半径，获得形成小的和最小极化域的外加电压和施加时间长度的设定条件。因而，通过设定对具有相同介电物质的材料和厚度、相同探针半径的信息记录设备获得的外加电压和施加时间长度的条件，有可能以高速度和高密度记录信息。
下面，解释记录条件提取系统1的操作流程。如图2所示，首先设定初始值，诸如加在探针31和电极36之间的初始外加电压V0、阶跃电压ΔV、初始施加时间长度T0、阶跃时间长度ΔT、设定外加电压的数量n0和设定施加时间长度的数量m0(步骤S101)。这些初始外加电压V0和初始施加时间长度T0分别设为最小电压和脉冲宽度，这可形成与获得的介电物质35的矫顽电场相反的极化域。施加时间长度相应于外加电压的脉冲宽度。
第二，设定外加电压V＝V0+ΔV×n(步骤S102)。N是设定的数量，如果以n＝0开始，第一外加电压就变成初始设定的电压V0。然后，设定施加时间长度T＝T0+ΔT×m(步骤S103)。m是设定的数量，如果以m＝0开始，第一施加时间长度就变为初始设定的时间T0。
设定外加电压V和施加时间长度T之后，将已设定的电压对电极31施加记设定的时间，在介电记录介质37中形成极化域(步骤S104)。该形成极化域导致了要以相应于外加电压V和施加时间长度T的尺寸形成极化域的点。步骤S104之后，探针31将移动向介电记录介质施加下一电压的预定位置(步骤S105)。
下面，判断施加的数量是否达到初始设定的数量m0(步骤S106)。如果没达到，操作流程就返回步骤S103，用设定的下一施加时间长度重复极化域的形成。
如果施加的数量达到了初始设定的数量m0，那么，判断施加电压的数量是否达到初始设定的数量n0(步骤S107)。如果没达到，在将施加时间长度T设为T0(步骤S108)之后，操作流程返回步骤S102，用设定的下一外加电压重复极化域的形成。
另外，假设在运算例程期间在预定例程上计数设定外加电压的执行数量m和设定施加时间长度的执行数量n。可以用施加时间长度的设定顺序代替外加电压的设定顺序。
设定外加电压的执行数量m和设定施加时间长度的执行数量n超过初始设定的数量m0和n0，从而完成记录操作之后，测量所形成的极化域的点半径(步骤S109)。作为点半径的测量，使用了通过化学腐蚀记录介质的记录表面来测量并检测腐蚀速度差的方法、通过用AFM设备向介电材料施加高频电压来测量并检测压电响应的方法或者SNDM方法。
然后，从所形成的点半径的分布条件选择用于记录操作的最佳点半径。选择和决定稳定的、点半径最小的点，在下文参考图4到图6详细解释(步骤S110)。
然后，从外加电压/施加时间长度记录装置14读取形成用于记录的最佳点的时间的外加电压V和施加时间长度T，确定用于介电材料的特性和厚度的最佳点形成的外加电压V和施加时间长度T以及这时使用的探针半径(步骤S111)。
如上所述，提取用于介电材料的特性和厚度的最佳点形成的外加电压V和施加时间长度T以及探针半径。如果它们应用于记录设备，就关于具有与提取时介电材料相同的半径探针的记录设备设定所提取的外加电压V和所提取的施加时间长度T(步骤S112)，并开始记录信息(步骤S113)。
上述记录条件提取设备的操作流程不限于此。例如，也可以想象采用在形成点的任何时候测量点半径的方法等。如果可以选择在外加电压V和施加时间长度T的许多条件下稳定且其半径最小的点，任何操作形式都是可以的。
在图3A到3C所示的过程中形成稳定的极化域。图3A显示了用具有半径为a的半球形端部的探针31将来自记录信号源41的外加电压V和施加时间长度T的记录信号应用于介电记录介质37的情形，介电记录介质37设有介电物质35和电极36。显示了仅在探针31的端部形成极化域38a和外加电压V和施加时间长度T不足的情形。这一情形下的点是不稳定的，它消失了。
图3B显示极化域38b的尖端到达介电物质35的背面，即使在这一情形下，信息记录的稳定性也不足。
图3C显示了极化域38完全到达介电物质35背面从而形成半径几乎与探针31的半径相同的点且域完全极化的情形。该情形是稳定的，它可以保持而不象信息那样消失。通过施加由上述记录条件提取确定的外加电压V和施加时间长度T获得最小半径的极化域38。另外，图3D显示了探针31在介电物质35中的电场强度分布，沿该电场进行极化。
参考图4到6解释测量外加电压、施加时间长度和点半径以及检测最佳点半径的实例。例如，假设用图1中的输出装置20的打印机输出这些图。
图4是外加电压12V和探针半径25nm的情况。图4显示了点半径在从电压施加时间长度约为1000nsec的点P1开始短的时间快速减小。在该时间以下的时间相应于图3B和3A中的情形，所形成的点是不稳定的且不适于信息记录。点P1和更长的时间相应于图3C中的情形，形成半径大致与探针半径相同的点。利用最短的施加时间长度，即，脉冲宽度小且记录速度快的施加时间长度作为条件。
图5是外加电压15V且探针半径25nm的情况。图5显示了点半径在从电压施加时间长度约为100nsec的点P2开始短的时间快速减小。在该时间以下的时间，以与上述相同方式形成的点是不稳定的且不适于信息记录，而在点P2形成具有与探针半径大致相同半径的点。另外，随着电压施加时间长度增加到10000nsec，点半径增大，但是，这不太好，因为减小了记录密度且这是减低了记录速度的域。
图6是外加电压18V和探针半径25nm的情况。图6显示了点半径在从电压施加时间长度约为20nsec的点P3开始短的时间快速减小。在该时间以下的时间，以与上述相同方式形成的点是不稳定的且不适于信息记录，而在点P3形成具有与探针半径大致相同半径的点。另外，随着电压施加时间长度增加到10000nsec，点半径增大，但是，这不太好，因为也减小了记录密度和记录速度。
随着相对于每个外加电压确定最佳施加时间长度且外加电压更高，施加时间长度更短，即，记录速度变得更高。然而，外加电压取决于信息记录设备的功率环境，有必要考虑按介电物质的厚度和探针与电极之间的介电常数来放电，所以有必要按情况需要确定最佳外加电压和最佳施加时间长度。
图7是显示用探针形状作参数时介电物质的厚度和反转极化域的最小电压之间关系的示意图。我们的研究显示了在探针形状、介电记录介质的厚度、域尺寸、极化域中的反转电压等之中存在相似之处。因而，即使探针半径是25nm且介电物质的厚度在图7中是2000，也是一回事，它表示相应于小探针半径获得小极化域。
(II)第二实施例
下面，参考图8和9解释根据最小且稳定的极化域和电压施加时间长度的点半径的允许范围。这对于确定更稳定的极化域尺寸和获得设定施加时间长度而保持记录速度或记录密度的限度来说是有用的。另外，图8是显示当相对于例如图5所示最佳点半径设定确定允许值时点半径和电压施加时间长度之间关系的图。图9是显示当相对于最佳点半径设定确定允许值时图2所示记录条件提取系统的操作流程的流程图。
如图8所示，在极化域的点半径上，根据可以在其上获得稳定且最小的点半径的点P2的半径r0设定+方向中的允许范围Δr1和-方向中的允许范围Δr2。Δr1和Δr2受到信息记录设备的记录密度的限制。为了获得更稳定且更大的极化域，设定Δr1是很重要的。假设相应于半径Δr0+Δr1的值与测得的点曲线相交点的电压施加时间长度是t2，就容许选择性地设定相应于点P2的电压施加时间长度t1与电压施加时间长度t2之间的电压施加时间长度。因而，有可能任意设定电压施加时间长度而保持信息记录设备的记录速度的限度。
如图9所示，可以通过在图2所示操作流程中的步骤100和111之间插入步骤110a、110b和110c来实现记录条件提取系统的操作流程。在步骤110a，设定图8所示的Δr1和Δr1。在步骤110b，确定用于记录的点半径范围。在步骤110c，设定用于记录的电压施加时间长度的范围。在初始状态下，确定范围Δr0+Δr1并按照记录密度的限度预先输入。根据这些条件，在步骤111确定具体的外加电压和施加时间长度。其它步骤与图2相同，不再赘述。
(III)第三实施例
下面，解释本发明的信息记录设备，它设有用于设定介电记录介质的记录条件提取系统提取的外加电压和施加时间长度的设定装置。
如图10所示，信息记录设备3设有：配备有介电物质35和电极36的介电记录介质37；探针31；电极51；AC(交流电)信号发生器52；记录信号发生器53；外加电压设定装置11；施加时间长度设定装置12；加法器54；振荡器55；FM(调频)解调器56；信号检测装置57；电感器L；电感器La；和电容Ca。显然，作为信息记录设备，它设有其它多种普通功能；然而不再赘述。
介电记录介质37是用于记录信息的介质，它的形状可以是多样的，诸如盘形、磁带形、卡形等。此外，它可分为多个域以提供记录区域。作为介电物质35，诸如钽酸锂等的介电材料薄膜。电极36是接收施加到介电物质35的电场的电极。
探针31是在末端具有预定半径的半球形件，至少其表面有导电性。在记录信息时，向该探针施加电压以在介电物质35中形成极化域。另一方面，再现时，探针31跟踪极化域以拾取所记录的信息。
当向探针31加入在振荡器55振荡的高频信号时，电极36要将施加在介电物质35的微域中的高频电场导入大地。
AC信号发生器52是用于产生施加到探针31的AC信号的装置，它要通过将交替电场施加到介电物质35的微域并在读取信息时调制读取信号，确切地分离读取信号。此外，它使来自记录信号发生器53的记录信号偏离，施加到探针31，并记录信息。相应于极化状态的电容Cs的差使振荡频率受调制，并且对其解调能监控是否执行了精确的记录操作。当记录信息时，SW1与端子a连接，当写入信息时，SW1与端子b连接。
外加电压设定装置11是用于设定外加电压的装置，外加电压是施加于第一实施例所述介电物质35的信号，设定外加电压以形成能相对于介电物质35以最高密度记录的极化域。根据第一实施例所述确定最佳外加电压。
施加时间长度设定装置12是用于设定外加电压的施加时间长度的装置，外加电压的施加时间长度是用于第一实施例所述介电物质35的信号，如外加电压设定装置11的情况那样，设定施加时间长度以形成能相对于介电物质35以最高密度记录的极化域，或设定施加时间长度以形成其尺寸在按照介电信息记录设备3的记录速度或记录密度的限度确定的范围之内的极化域。根据第一实施例所述确定最佳施加时间长度。
记录信号发生器53将记录在介电记录介质37中的信息以用于记录的适当形式转换为信号。根据在外加电压设定装置11和施加时间长度设定装置12设定的条件转换电压电平、脉冲宽度等。
加法器54将用于从记录信号发生器53记录的信号加到来自AC信号发生器52的AC信号，以调制并施加到探针31。
振荡器55产生信号以调制所记录的信息的频率并拾取。振荡频率设为例如1GHz。
电感器La和电容Ca构成了低截止滤波器，安装它以防止AC信号发生器52的AC信号干扰振荡器55。振荡器55的振荡频率约1GHz，即使AC信号发生器52的AC信号的振荡频率在MHz级，基本LC滤波器也可以充分地分开它。此外，从数据传输率的角度看，提高频率是有利的，这种情况下，可以选择适于它的滤波系数。
电感器L构成了具有相应于探针31下面的极化域的电容Cs的谐振电路。电容Cs的变化改变了谐振频率并使振荡器55的振荡信号被调频。通过解调所述频率调制，可以读取所记录的信息。虽然电容Ca在谐振电路中，但是与电容Ca相比，电容Cs极小，所以电容Cs是相对于振荡频率的主要因素，可以忽略导电Ca的效果。
FM调制器56解调由谐振电路调频的振荡器55的振荡信号，电感器L和电容Cs形成谐振电路。这里使用常规的FM检测装置。
信号检测装置57用AC信号发生器52的AC信号作为同步信号检测在FM解调器56解调的信号，从而再现所记录的信息。
下面，解释信息记录设备3的记录操作。SW1与端子b连接。首先，将要记录的信息输入到记录信号发生器53中。此外，在外加电压设定装置11设定外加电压的电平，在施加时间长度设定装置12设定外加电压的施加时间长度。将它们输入到记录信号发生器53。在记录信号发生器53，以适于记录的预定格式转换要记录的信息，并输出它作为外加电压电平和要设定的施加时间长度，即，脉冲宽度的数字记录信号。另外，用第一实施例中解释的方法执行设定外加电压电平和施加时间长度，即，脉冲宽度。
通过电感器La将来自记录信号发生器53的记录信号施加到探针31，用在探针31和电极36之间产生的电场在介电物质35的预定部分形成极化域，这样记录信息。然后，用未示出的机构相对移动探针31或介电记录介质37，然后记录信息。
记录监控器用相应于所形成的极化域的电感器L和电容Cs的谐振电路调制振荡器55的振荡频率，在FM解调器56解调调制后的信号，并以AC信号发生器52的AC信号作为同步信号同步地在信号检测装置57检测该信号。
下面，解释信息记录设备3的再现操作。SW1与端子a连接。将AC信号从AC信号发生器52施加到探针31。这个AC信号成为同步检测中的同步信号。当探针31在极化域上跟踪时，检测电容Cs，用电容Cs和电感器L构成谐振电路，用谐振频率对振荡器55的振荡频率进行调频。在FM解调器56解调该调频信号，在信号检测装置57以AC信号发生器52的AC信号作为同步信号同步地检测它，再现所记录的信息。
作为用于信号检测装置57的同步检测的设备，有锁定放大器。如图11所示，它设有：输入端子T1和T2；放大器61；波形整形器62；同相分配器63和64；90度移相器65；混合器66和67，它们是乘法器；低通滤波器68和69；和输出端子T3和T4。
放大器61放大通过输入端子T1输入的解调信号并将其输出到同相分配器63。同相分配器63同相地分配放大后的解调信号并将其输出到混合器66和67。另一方面，波形整形器62将通过输入端子T2输入的标准信号整形为方波并将其输出到同相分配器64。同相分配器64同相地分配从波形整形器62输出的标准信号并将其输出到混合器67和90度移相器65。90度移相器65以解调信号的频率仅以90度移相标准信号并将其输出到混合器66。混合器66将解调信号和仅以90度移相的标准信号相乘并混合，将其转换为具有和与差在解调信号频率同标准信号频率之间的信号，并将其输出到低通滤波器68。低通滤波器68只通过混合后的输入信号中的DC(直流电)信号，并将输出电压Va1输出到输出端子T3。混合器67将标准信号和解调信号混合并相乘，将其转换为和与差在解调信号频率与标准信号频率之间的信号，并将其输出到低通滤波器69。低通滤波器69只通过混合后的输入信号中的DC(直流电)信号，并将输出电压Va2输出到输出端子T4。
用作为同步信号的AC信号发生器52的AC信号再现具有这种功能的电路所拾取的信号，并再造所记录的信息。另外，用于同步检测的方法不限于这种锁定放大器。
关于具有一个探针的设备描述了上述信息记录设备，但是，也可使用具有多个探针的设备。这种情况下，AC信号发生器52需要为每个探针提供彼此不同的振荡频率的功能。
此外，作为介电记录介质，其形状可以是不同的，诸如盘形、磁带形、卡形等。

Claims (25)

1.一种介电记录介质的记录条件提取系统，用于用探针向介电记录介质施加电压和提取用于记录信息的记录条件，其特征在于所述记录条件提取系统包括：
外加电压设定装置，用于设定要施加到介电记录介质的外加电压；
施加时间长度设定装置，用于设定所设的外加电压的施加时间长度；
极化域形成装置，用于根据所设的外加电压和所设的施加时间长度，从探针向介电记录介质施加电压，以形成极化域；和
测量装置，用于测量所述极化域形成装置所形成的极化域的尺寸。
2.根据权利要求1所述的介电记录介质的记录条件提取系统，其特征在于记录条件提取系统还包括检测装置，用于根据所述测量装置的测量结果，检测介电记录介质中形成的极化域是否稳定且最小。
3.根据权利要求2所述的介电记录介质的记录条件提取系统，其特征在于记录条件提取系统还包括条件确定装置，如果所述检测装置测得的极化域是稳定且最小的，用于将已经形成极化域的外加电压和施加时间长度确定为最佳记录条件。
4.根据权利要求2所述的介电记录介质的记录条件提取系统，其特征在于记录条件提取系统还包括：条件确定装置，用于根据所述检测装置测得的稳定且最小的极化域的尺寸来确定极化域尺寸的允许范围，并确定形成其尺寸在允许范围内的极化域所需的外加电压和施加时间长度。
5.根据权利要求1到4中任何一个所述的介电记录介质的记录条件提取系统，其特征在于通过用所述外加电压设定装置相对于所述施加时间长度设定装置所设定的预定施加时间长度来设定多个外加电压，形成多个极化域。
6.根据权利要求5所述的介电记录介质的记录条件提取系统，其特征在于所述外加电压设定装置包括：
用于设定外加电压的初始电压的装置；
用于设定要加到初始电压上的阶跃电压的装置；和
用于设定加上阶跃电压的数量的装置，和
每当形成极化域时，所述外加电压设定装置依次将阶跃电压加到外加电压上，并且自动设定外加电压直到达到设定数。
7.根据权利要求1到4中任何一个所述的介电记录介质的记录条件提取系统，其特征在于：通过用所述施加时间长度设定装置相对于所述外加电压设定装置所设定的预定外加电压设定多个施加时间长度，在介电记录介质中形成多个极化域。
8.根据权利要求7所述的介电记录介质的记录条件提取系统，其特征在于所述施加时间长度设定装置包括：
用于设定施加时间长度的初始时间长度的装置；
用于设定要加到初始时间长度的阶跃时间长度的装置；和
用于设定加上阶跃时间长度的数量的装置，和
每当形成极化域时，所述施加时间长度设定装置依次将阶跃时间长度加到施加时间长度上，和自动设定施加时间长度直到达到设定数。
9.根据权利要求1到4中任何一个所述的介电记录介质的记录条件提取系统，其特征在于记录条件提取系统还包括存储装置，用于存储：
外加电压，它由所述外加电压设定装置来设定并被施加；
施加时间长度，它由所述施加时间长度设定装置来设定并将外加电压施加所述施加时间长度；和
极化域的尺寸，它由所述测量装置测得。
10.根据权利要求9所述的介电记录介质的记录条件提取系统，其特征在于还将关于介电记录介质的材料和厚度以及关于施加外加电压的探针半径的信息存储在所述存储装置中。
11.根据权利要求1到4中任何一个所述的介电记录介质的记录条件提取系统，其特征在于记录条件提取系统还包括输出装置，用于以预定格式输出：
外加电压信息，表示所述外加电压设定装置所设定并且被施加的外加电压；
施加时间长度信息，表示所述施加时间长度设定装置所设定的并且施加外加电压的施加时间长度；和
尺寸信息，表示所述测量装置测得的极化域的尺寸。
12.根据权利要求9所述的介电记录介质的记录条件提取系统，其特征在于所述检测装置根据存储在所述存储装置中的信息来检测在介电记录介质中形成的极化域是否稳定且最小。
13.根据权利要求1到4中任何一个所述的介电记录介质的记录条件提取系统，其特征在于从所述输出装置输出关于稳定的、最小的并由所述检测装置检测的极化域的信息以及关于其尺寸的信息，以及关于所述外加电压设定装置设定并施加的外加电压的信息和关于所述施加时间长度设定装置设定的并且施加外加电压的施加时间长度的信息。
14.根据权利要求1到4中任何一个所述的介电记录介质的记录条件提取系统，其特征在于根据介电记录介质固有的矫顽电场的值来执行由所述施加时间长度设定装置的最短施加时间长度设定。
15.根据权利要求1到4中任何一个所述的介电记录介质的记录条件提取系统，其特征在于介电记录介质的介电材料是铁电材料。
16.根据权利要求1到4中任何一个所述的介电记录介质的记录条件提取系统，其中，介电记录介质的介电材料是LiTaO3。
17.根据权利要求1到4中任何一个所述的介电记录介质的记录条件提取系统，其特征在于记录条件提取系统包括扫描非线性介电显微镜，作为用于测量极化域的尺寸的所述测量装置。
18.一种介电记录介质的记录条件提取方法来实现用探针将电压施加到介电记录介质并提取用于记录信息的记录条件，其特征在于记录条件提取方法包括：
外加电压设定过程，设定要施加到介电记录介质的外加电压；
施加时间长度设定过程，设定所设的外加电压的施加时间长度；
极化域形成过程，根据所设的外加电压和所设的施加时间长度将外加电压施加到介电记录介质，以形成极化域；
测量过程，测量在所述极化域形成过程中形成的极化域的尺寸；
检测过程，检测在介电记录介质中形成的极化域是否稳定且最小；和
条件确定过程，如果在所述检测过程中测得极化域是稳定且最小的，就将已经形成极化域的外加电压和施加时间长度确定为最佳记录条件。
19.根据权利要求18所述的介电记录介质的记录条件提取方法，其特征在于条件确定过程根据在所述检测过程中测得稳定且最小的极化域的尺寸来确定极化域尺寸的允许范围，并确定形成其尺寸在允许范围内的极化域所需的外加电压和施加时间长度。
20.根据权利要求18或19所述的介电记录介质的记录条件提取方法，其特征在于记录条件提取方法还包括存储过程，存储：
外加电压，它被在所述外加电压设定过程中设定并被施加；
施加时间长度，它在所述施加时间长度设定过程中被设定并且是施加电压的施加时间长度；和
极化域尺寸，它在所述测量过程中被测得。
21.根据权利要求18或19所述的介电记录介质的记录条件提取方法，其特征在于还包括输出过程，其以预定格式输出：
外加电压信息，表示所述外加电压设定过程设定并被施加的外加电压；
施加时间长度信息，表示所述施加时间长度设定过程所设定的并且外加电压被施加的施加时间长度；和
尺寸信息，表示所述测量过程测得的极化域的尺寸。
22.根据权利要求20所述的介电记录介质的记录条件提取方法，其特征在于所述检测过程根据在所述存储过程中存储的信息检测在介电记录介质中形成的极化域是否稳定且最小。
23.根据权利要求18或19所述的介电记录介质的记录条件提取方法，其特征在于在所述输出过程中输出关于在所述检测过程中测得稳定且最小的极化域的信息，以及关于在所述外加电压设定过程中设定并施加的外加电压的信息和关于在所述施加时间长度设定过程中设定的并且外加电压被施加的施加时间长度的信息。
24.一种介电记录介质的信息记录设备，用于通过向介电记录介质施加电压以形成极化域来记录信息，其特征在于信息记录设备包括：
外加电压设定装置，用于设定从根据权利要求1到4中任何一个所述的记录条件提取系统提取的最佳外加电压；和
施加时间长度设定装置，用于设定从记录条件提取系统提取的电压的最佳时间长度。
25.根据权利要求24所述的介电记录介质的信息记录设备，其特征在于信息记录设备还包括记录信息再现装置，用于再现记录在介电记录介质中的信息。
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