JP2011241137A - 酸化チタン薄膜、その製造方法、磁気メモリ、光情報記録媒体及び電荷蓄積型メモリ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】TiO2粒子を混入させた原料溶液を基板2の表面に塗布して、TiO2粒子層を当該基板2の表面に形成し、水素雰囲気下において焼成処理することにより、基板2の表面に酸化チタン薄膜3を形成する。これにより、温度が約460K付近において非磁性半導体と常磁性金属とに相転移する従来におけるバルク体とは異なり、室温で相転移せずに、全ての温度領域において、Ti3O5粒子本体が常磁性金属の特性を常に維持することができるという従来にない新規な物性を発現し得る酸化チタン薄膜3を提供できる。
【選択図】図1
Description
図1において、1は酸化チタン薄膜体の一例を示し、この酸化チタン薄膜体1は、例えば石英ガラスからなる基板2と、この基板2の表面に成膜された酸化チタン薄膜3とを備えている。この実施の形態における酸化チタン薄膜3は、約1.5μm程度の厚みを有し、粒径が約7nm程度のナノサイズからなる複数のTiO2粒子(例えば、石原産業株式会社製の商品名「ST−01」)が焼結することにより形成されている。
次に、このような酸化チタン薄膜3の製造方法について以下説明する。具体的には、ナノサイズのTiO2粒子からなる粉末体を硝酸水溶液に混入させてゾル状の原料溶液を生成する。ここでは、例えば、粉末体を構成するTiO2粒子として、粒子径が約7nm程度のアナターゼ型の光触媒たるTiO2粒子(石原産業株式会社製の商品名「ST−01」)が用いられ、これらTiO2粒子が30wt%の濃度で硝酸水溶液に混入させたゾル状の原料溶液(石原産業株式会社製の商品名「STS−01」)を用いて、当該原料溶液を成膜対象である石英ガラスの基板2の表面に塗布して、原料溶液でなるTiO2粒子層を当該基板2の表面に形成する。
上述した製造方法によって作製された酸化チタン薄膜3は、次のような特性を有する。
ここで、この酸化チタン薄膜体1について、室温でXRDパターンを測定したところ、図4に示すような解析結果が得られた。図4は、横軸に回折角を示し、縦軸に回折X線強度を示している。図4に示すように、このXRDパターンでは、基板材料たる石英ガラスを示すピークが現れていると共に、この石英ガラスを示すピークの他に、特徴的なピークが現れており、この特徴的なピークがα−Ti3O5のXRDパターン(図示せず)とは異なることが確認できた。このことから、酸化チタン薄膜3を構成する結晶構造がα−Ti3O5ではないことが確認できた。
ここで本発明の酸化チタン薄膜3は、0〜800Kの温度領域において、そのうち低い温度領域で結晶相がλ相になり、例えば約300K付近を越えた辺りからα相が現れ始め、温度が上昇するに従って次第にλ相が減ってα相が増えてゆき、その後α相がλ相よりも多くなり、高い温度領域で結晶相がα相のみになる。また、酸化チタン薄膜3は、加熱されてα相のみになっても、再び低い温度領域まで冷却されると、λ相が回復することから、λ相及びα相が温度に依存して発現する。
上述した従来結晶では、約460Kよりも低い温度領域になるとβ相となる。このとき従来結晶は、単斜晶系の結晶構造を有し、0K付近において格子欠陥によるキュリー常磁性となり僅かな磁化があるものの、460Kよりも低い温度領域において非磁性イオンになって非磁性半導体となり得る。
また、酸化チタン薄膜3は、含まれる結晶構造がλ−Ti3O5のとき、半導体であっても金属に近い電気抵抗率を有し、所定の温度領域で発現するα−Ti3O5についてもλ−Ti3O5とほぼ同じ電気抵抗率を有する。
また、本発明による酸化チタン薄膜3は、圧力を加えることにより、含まれる結晶構造の一部がλ相からβ相に相転移する。酸化チタン薄膜3は、比較的弱い圧力でもλ相からβ相に相転移し、印加圧力を高くしてゆくと、λ相からβ相に相転移する割合が次第に高くなる。
酸化チタン薄膜体1では、基板2の表面に形成した酸化チタン薄膜3に、所定の光が照射されると、光が照射された箇所が変色し、酸化チタン薄膜3がλ−Ti3O5からβ−Ti3O5に変化する。このように本発明による酸化チタン薄膜3は、所定の光が照射されることにより、室温でλ相からβ相に光誘起相転移するという特性を有する。
以上の構成において、TiO2粒子を混入させた原料溶液を基板2の表面に塗布して、TiO2粒子層を当該基板2の表面に形成し、水素雰囲気下において焼成処理することにより、基板2の表面に酸化チタン薄膜3を形成する。
このような酸化チタン薄膜3は、当該酸化チタン薄膜3の有する光特性や電気伝導特性、磁性特性を基に、以下のような用途に利用することができる。本発明による酸化チタン薄膜3は、図6に示すように、温度が約460Kよりも低いとき、常磁性金属の特性を有するλ相の結晶構造を有しており、例えば光や圧力、電磁、磁場等による外部刺激を与えることで、非磁性半導体の特性を有するβ相に結晶構造を変化させ、磁気特性を可変させることができる。
上述した「(3−6)酸化チタン薄膜の光照射効果」では、λ相の結晶構造を有する酸化チタン薄膜3に対し、所定の光強度を有した光を照射すると、当該光強度を与えた箇所が変色してβ相となる点について説明した。ここでは、酸化チタン薄膜3に対し、光の照射を繰り返し行った場合について以下説明する。
ここでは、λ−Ti3O5の生成機構を理解するために、ギブスの自由エネルギー対電荷非局在ユニットの割合(x)を、平均場理論モデルのSlichter and Drickamerモデルを用いて計算した。
粒径が小さく表面に凹凸の少ない本発明による酸化チタン薄膜3は、図6に示すように、パルス光によって結晶構造をλ相からβ相に相転移させることができると共に、光によってβ相からα相に相転移させ、温度が低下することでα相から再びλ相に相転移させることができるという特徴を有している。このことから酸化チタン薄膜3を光情報記録媒体の記録層として用いることができる。この場合、光情報記録媒体は、記録層の初期化、記録層に対する情報の記録、及び記録層からの情報の再生といった3段階を実行し得るようになされている。
光情報記録媒体は、情報を記録する前準備として、当該光情報記録媒体の記録層全体又はその一部を初期化する。この場合、光情報記録媒体には、光情報記録再生装置の初期化光源から初期化光を記録層の片面側から照射することにより、記録層の初期化を行う。このとき初期化光は、初期化光照射前の照射部分がβ相又はλ相のいずれかであってもα相に転移するのに十分なエネルギーを有する。記録層では、初期化光が照射された部分においてβ相からα相、さらにα相からλ相に相転移させると共に、λ相からα相、さらにα相からλ相に相転移させ、初期化光が照射された部分を全てλ相とすることで、反射率を一様にする。
光情報記録媒体に情報を記録する際には、光情報記録再生装置によって所定の光強度からなる記録用の記録光が記録層内に集光される。光情報記録媒体では、記録光が照射されることにより、目標位置を中心とした局所的な範囲で記録層の結晶構造が変化してλ相からβ相に相転移し、記録光の焦点近傍(β相)と、その周囲(λ相)との屈折率が異なることとなる。この結果、光情報記録媒体の記録層にはλ相からβ相に相転移してなる記録マークが形成される。
光情報記録媒体に記録された情報を読み出す際には、光情報記録再生装置から所定の光強度でなる読出用の読出光が記録層内に集光される。光情報記録媒体は、記録層から戻ってくる戻り光を、光情報記録再生装置の受光素子により検出させ、記録層の結晶構造の相違(記録マークの有無)により生じる反射率の違いから、記録層に記録された情報を再生することができる。なお、ここで用いる読出光は、記録層に照射した際に、当該記録層がλ相からβ相に相転移されない程度の光強度を有している。因みに、上述した実施の形態においては、記録層がβ相となった状態を記録マークが形成された状態とした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、記録層がλ相となった状態を記録マークが形成された状態としてもよい。
2 基板(成膜対象)
3 酸化チタン薄膜
Claims (7)
- TiO2粒子混入溶液からなるTiO2粒子層が成膜対象の表面に形成され、水素雰囲気下で焼成されることで、前記成膜対象の表面に形成されており、
Ti3O5の組成を有し、0〜800Kの温度領域で常磁性金属の状態を維持する結晶構造を有している
ことを特徴とする酸化チタン薄膜。 - 0〜800Kの温度領域で常磁性金属の状態を維持し、
少なくとも500K以上の温度領域で常磁性金属状態の斜方晶系の結晶構造となり、少なくとも300K以下の温度領域で常磁性金属状態の単斜晶系の結晶構造となる
ことを特徴とする請求項1記載の酸化チタン薄膜。 - TiO2粒子混入溶液からなるTiO2粒子層を成膜対象の表面に形成し、水素雰囲気下で焼成する焼成工程を備え、
前記焼成工程によって、Ti3O5の組成を有し、0〜800Kの温度領域で常磁性金属の状態を維持する結晶構造を有した酸化チタン薄膜を、前記成膜対象の表面に形成する
ことを特徴とする酸化チタン薄膜の製造方法。 - 前記焼成工程では、1100〜1200℃で焼成する
ことを特徴とする請求項4記載の酸化チタン薄膜の製造方法。 - 支持体上に磁性材料を固定してなる磁性層を備え、
前記磁性層は請求項1又は2記載の酸化チタン薄膜である
ことを特徴とする磁気メモリ。 - 記録用の記録光が記録層に集光されることで、前記記録層に情報を記録し、読出用の読出光が前記記録層に集光されることで、前記記録層から戻ってくる戻り光の反射率の違いから、前記記録層に記録された情報を再生する光情報記録媒体において、
前記記録層は請求項1又は2記載の酸化チタン薄膜である
ことを特徴とする光情報記録媒体。 - 支持体上に電荷蓄積材料を固定してなる電荷蓄積層を備え、
前記電荷蓄積層は請求項1又は2記載の酸化チタン薄膜である
ことを特徴とする電荷蓄積型メモリ。
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