JP2774506B2

JP2774506B2 - 高密度情報記録媒体およびその記録再生装置

Info

Publication number: JP2774506B2
Application number: JP8673688A
Authority: JP
Inventors: 浩三平
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-04-08
Filing date: 1988-04-08
Publication date: 1998-07-09
Anticipated expiration: 2013-07-09
Also published as: JPH01258248A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、情報を高密度に記録することができる高密
度情報記録媒体と、この情報記録媒体に情報を高密度に
記録させることができるとともに、記録された情報を再
生ならびに消去することができる高密度情報記録再生装
置に関する。

（従来の技術）情報記録媒体としては、半導体メモリ、磁気テープ、
磁気ディスク、フロッピーディスク、光ディスクなどが
実用化されているが、近年、情報量の増大に伴い、情報
記録媒体の高記録密度化、大容量化への要求が高まって
きている。

このため、各種情報記録媒体において記録密度の向上
が図られているが、なかでも、光ディスクメモリはその
高い記録密度と容量の大きさから、近年、急速に実用化
が進められている。

しかしながら、光ディスクメモリはレーザ光を光学レ
ンズで絞り込んで記録、再生を行うため、スポット径に
は光の波長からくる限界があり、記録密度は約10⁶〜10⁷
bits/mm²程度が上限であると考えられている。さらに高
密度化するため、多値多層化への検討や、フォトケミカ
ルホールバーニング（PHB）を応用した光ディスクメモ
リの構想なども考えられるが、実用化にはまだ難しいレ
ベルにある。

（発明が解決しようとする課題）このように、情報量の増大に伴い、情報記録媒体の高
記録密度化、大容量化が要求されているが、情報記録媒
体の中でも高い記録密度と大容量を有している光ディス
クメモリにあっても、その記録密度は原理上約10⁶〜10⁷
bits/mm²程度が上限であり、更なる高記録密度化、大容
量化を図ることは困難である。

したがって、情報基板媒体の更なる高記録密度化、大
容量化を図るためには、新たな原理に基づく情報基板媒
体を得ることが望ましい。

本発明はかかる従来技術の課題を解決すべくなされた
もので、分子単位で情報を記録することのできる高密度
情報記録媒体と、この高密度情報記録媒体への情報の記
録およびこの高密度情報記録媒体に記録された情報の再
生ならびに消去を行うことができる高密度情報記録再生
装置を提供することを目的とする。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）すなわち本発明の高密度情報記録媒体は、導電性基体
層と、この導電性基体層の少なくとも一面に形成された
誘電体層と、誘電体層の表面に形成され可逆的な構造変
化を生じて導電率が変化するイオン伝導性物質層とを有
することを特徴としている。

また、本発明の高密度情報記録再生装置は、可逆的な
構造変化を生じて導電率が変化するイオン伝導性物質層
を有する高密度情報記録媒体との間にトンネル電流を発
生させるための少なくとも１本の探針と、情報信号に応
じて探針と高密度情報記録媒体との間に流れるトンネル
電流の大きさを変化させイオン伝導性物質層に選択的に
構造変化を生じさせることにより情報を記録する記録手
段と、構造変化を生じたイオン伝導性物質層と探針との
間に流れるトンネル電流の大きさと構造変化を生じてい
ないイオン伝導性物質層と探針との間に流れるトンネル
電流の大きさとの差異を検知して記録情報を再生する再
生手段と、探針と高密度情報記録媒体との間に記録時と
は逆方向の電流を流すことによりイオン伝導性物質層を
単一相状態に構造変化させて記録情報を消去する消去手
段とを具備することを特徴としている。

（作用）本発明の高密度情報記録媒体に用いるイオン伝導性物
質層は、電界（電流）の影響により可逆的に構造変化を
生じて導電率が変化する。すなわち、このイオン伝導性
物質層は通常状態では金属伝導に近い導電率を有する
が、一定値以上の電流を流すとイオン伝導性物質の結晶
分子中に生じたイオンが誘電体層に移動するために構造
変化を生じて電子に対しては絶縁状態となり、導電率が
低下する。そして、この構造変化は結晶分子単位で生じ
る。

したがって、情報信号に応じてイオン伝導性物質層に
流れる電流の大きさを変化させ、イオン伝導性物質層に
選択的に構造変化を生じさせることにより情報を記録す
ることができる。このとき、イオン伝導性物質層の構造
変化は結晶分子単位で生じるため、高解像度で高密度な
情報記録が可能となる。

また、本発明の高密度情報記録再生装置は、可逆的な
構造変化を生じて導電率が変化するイオン伝導性物質層
を有する高密度情報記録媒体との間にトンネル電流を発
生させるための少なくとも１本の探針を有し、記録手段
は情報信号に応じて探針と高密度情報記録媒体との間に
流れるトンネル電流の大きさを変化させて、イオン伝導
性物質層に選択的に構造変化を生じさせる。このため、
イオン伝導性物質層には導電率の高い部分と低い部分と
が生じ、これが記録ピットとなる。

再生手段は、探針と高密度情報記録媒体との間に流れ
るトンネル電流の大きさが、構造変化を生じたイオン伝
導性物質層と構造変化を生じていないイオン伝導性物質
層とで異なることから、この差異を検知してたとえば信
号の２値に対応させることにより記録情報を再生する。

消去手段は、探針と高密度情報記録媒体との間に記録
時とは逆方向の電流を流すことによって、誘電体層へ移
動していたイオンをイオン伝導性物質層へ移動させ、イ
オン伝導性物質層を単一相状態に構造変化させる。この
ため、イオン伝導性物質層の導電率は均一となり、記録
情報は消去される。

したがって、本発明の高密度情報記録再生装置では、
本発明の高密度情報記録媒体を用いることにより、情報
の記録および再生に充分の余裕をもっても100Å□程度
の記録再生が可能となり、記録密度は10¹⁰bits/mm²に及
び、飛躍的な記録密度の向上が達せられる。

（実施例）以下、本発明の実施例について図面を用いて説明す
る。

実施例１第１図は、本発明に基づく高密度情報記録媒体の一実
施例を示す断面図である。

同図に示すように、高密度情報記録媒体１は、たとえ
ばアルミニウム（A1）を用いたディスク状の導電性基体
層２と、この導電性基体層２の一面に形成された厚さ10
00Åの一酸化けい素（SiO）膜からなる誘電体層３と、
誘電体層３の表面に形成された厚さ100Åのタングステ
ンブロンズ（Ｈ×WO₃、ただし、０＜Ｘ＜１）膜からな
るイオン伝導性物質層４とからなる。

このような構成の高密度情報記録媒体１において、Si
O膜からなる誘電体層３は電子に対してはブロッキング
層となるが、イオン伝導体として特にH⁺イオンの移動に
関与する。またＨ×WO₃は、第２図に示すように、酸素
原子10、タングステン原子11および水素原子12とで、水
素原子12を中心としてペロブスカイト構造をなしてい
る。この構造は、電界（電流）の影響により水素原子12
が水素イオン（H⁺）と電子（e^-）とに電離し、このH⁺イ
オンは、第３図に示す６個の酸素原子10と１個のタング
ステン原子11により構成される正八面体形六配位のWO₃1
3の間の動きやすい特性を持つ。

そして、Ｈ×WO₃膜はこの状態では金属伝導に近い導
電率を示すが、電圧を印加しH⁺イオンが移動した正八面
体形六配位のWO₃膜では、電子に対しては絶縁層とな
る。このＨ×WO₃からWO₃への構造変化は、通常、Ｈ×WO
₃膜に流れる電流の大きさがpAオーダのときには生じな
いが、μＡオーダになると生じる。

したがって、先端の鋭い探針を用い、この探針側にプ
ラス、高密度情報記録媒体の導電性基体層側にマイナス
の電圧を印加し、情報信号に応じて探針とＨ×WO₃膜に
流れる電流の大きさをpAオーダからμＡオーダに変化さ
せてＨ×WO₃膜に選択的に構造変化を生じさせることに
より、Ｈ×WO₃膜上に電子伝導度の異なる部分を分子単
位で形成することができる。

すなわち、情報を記録することができる。

なお、本実施例では導電性基体層としてA1を用いた
が、他の導電性金属、導電性ガラスあるいは導電性高分
子化合物を用いても、同様の効果を得ることができる。
また、誘電体層としては、SiO膜の他、酸化クロムと一
酸化けい素との混合物などのイオン伝導生の誘電体を用
いることができ、イオン伝導性物質層としては、タング
ステンブロンズ膜の他、Ｈ×WO₃のタングステン（Ｗ）
をモリブデン（Mo）で置換したものなどを用いることが
できる。

また、誘電体層およびイオン伝導性物質層の厚さは、
いずれも数1000Åより薄いものであればよく、このよう
な層は真空蒸着法やスパッタリングなどの物理的蒸着
法、あるいは陽極酸化などの公知の手段により、容易に
形成することができる。

実施例２第４図は、本発明の高密度情報記録再生装置の一実施
例を示す模式図である。

同図に示すように、高密度情報記録再生装置20は、電
界（電流）の影響により可逆的に構造変化を生じて導電
率が変化するイオン伝導性物質層を有する高密度情報記
録媒体21を回転あるいは移動させるための記録媒体駆動
手段22と、高密度情報記録媒体21との間にトンネル電流
を発生させるための先端の鋭い探針23とを有し、この探
針23は、第４図中に第４図すｚ軸方向およびｘ軸方向に
対し粗動ならびに微動する探針制御手段24、25、26およ
び27により保持されている。そして、これらは除振台28
上に固定されている。

高密度記録のためには先端の鋭い探針23が不可欠であ
り、本実施例ではタングステン針をアルカリ液でエッチ
ング成形したものを用い、探針23の先端半径は約10nm以
下である。

また、探針制御手段24および25は、探針23と高密度情
報記録媒体21とをÅオーダで近接した状態に保つための
ものであり、探針23はマイクロメータユニットからなる
探針制御手段24によりｚ軸方向に粗動送りされ、その後
ピエゾ素子からなる探針制御手段25によって微動制御さ
れる。また探針制御手段26および27は、探針23を高密度
情報記録媒体21上の所定の位置に移動させるためのもの
であり、探針23はマイクロメータユニットからなる探針
制御手段26によりｘ軸方向に粗動送りされ、その後ピエ
ゾ素子からなる探針制御手段27によって微動制御され
る。このピエゾ素子は、積層型のものを用い、約10μｍ
の変位を可能にしている。また、探針制御手段24、25、
26および27は、駆動回路に接続されている。

このような構成の高密度情報記録再生装置により情報
を記録するには、まず、高密度情報記録媒体21を記録媒
体駆動手段22上の所定の位置にセットし、探針23と高密
度情報記録媒体21との距離が一定となるように、探針制
御手段24および25により探針23のｚ軸方向の位置を制御
する。この制御は、探針23側にプラス、高密度情報記録
媒体21側にマイナスの電圧を印加して、探針23と高密度
情報記録媒体21との間にpAオーダのトンネル電流を流
し、このトンネル電流が一定となるようにサーボ回路で
探針制御手段24および25に電圧を印加して、探針23をｚ
軸方向に移動させることにより行うことができる。

次いで、探針23と高密度情報記録媒体21との距離を一
定とした状態で、記録媒体駆動手段22と探針制御手段26
および27により、高密度情報記録媒体21上に探針23を走
査させ、情報信号に応じて探針23と高密度情報記録媒体
21との間に流れるトンネル電流の大きさを変化させるこ
とにより、高密度情報記録媒体21中のイオン伝導性物質
層に選択的に構造変化を生じさせて、導電率の異なる部
分を形成する。この導電率の異なる部分が、記録ピット
となる。

トンネル電流の大きさを変化させる手段としては、情報信号に応じて、探針23と高密度情報記録媒体21と
の間に印加する電圧の大きさを変化させることにより、
トンネル電流の大きさを変化させる方法、トンネル電流の大きさは探針23と高密度情報記録媒体
21との距離に指数関数的に依存することから、情報信号
に応じて探針23と高密度情報記録媒体21との距離を探針
制御手段25により変化させることにより、トンネル電流
の大きさを変化させる方法、のいずれを用いてもよい。

トンネル電流の大きさの変化は、高密度情報記録媒体
21中のイオン伝導性物質層の選択的に構造変化を生じさ
せ得る変化量とする。すなわち、構造変化を生じさせな
いときには、探針23と高密度情報記録媒体21との距離を
一定とするために必要とするpAオーダの電流を流し、構
造変化を生じさせるときには、μＡオーダの電流を流す
ることにより、イオン伝導性物質層に選択的に構造変化
を生じさせることができる。

また、記録情報の再生は、第５図に示すように、情報
が記録された高密度情報記録媒体21の表面と探針23との
距離Ａを、トンネル電流が検知できる程度まで近接さ
せ、この状態で高密度情報記録媒体21上に探針23を走査
させることによって、信号を再生することができる。

すなわち、記録部29ではイオン伝導性物質層が構造変
化を生じているために、トンネル電流は高密度情報記録
媒体21の表面を通って検出されず、pA以下のレベルとな
る。しかしながら、記録部以外の部分30ではイオン伝導
性物質層は構造変化を生じていないため、pAオーダのト
ンネル電流を検出することができる。また、高密度情報
記録媒体21の表面と探針23との距離Ａをより近くすれ
ば、記録部29ではトンネル電流は高密度情報記録媒体21
の表面を通って検出されず、pA以下のレベルとなるが、
記録部以外の部分30ではトンネル電流は指数関数的に増
大し、nA〜μＡオーダの値となる。この記録部29と記録
部以外の部分30とのトンネル電流の大きさの差異を検知
し、これを信号のたとえば２値に対応させることによっ
て信号を再生する。

このとき、たとえば1bitが100Å□の記録スポットと
すると、10¹⁰bits/mm²の記録密度を得ることができる。

また、精密なトラッキングサーボをかけることによ
り、さらに高密度な記録も可能である。この場合の一方
式としては、サーボ用探針と信号検出用探針の２本の探
針を持つ構造で制御する方法が挙げられる。

さらに、消去に関しては、Ｈ×WO₃膜はＨ×WO₃ H⁺＋e^-＋WO₃ という構造変化に対して可逆的な性質を有するので、探
針と高密度情報記録媒体との間に記録時とは逆方向の電
流を供給し、イオン伝導性物質層をＨ×WO₃の単一相状
態に構造変化させることにより、記録情報を消去するこ
とができる。このとき、記録の消し残しを防止するため
に、消去用探針には記録再生用探針よりも先端の太い探
針を用いることが望ましい。

なお、実施例１および実施例２では、高密度情報記録
媒体はディスク状のものとして扱っているが、その形状
はドラム状やテープ状など、装置の構成によって適宜変
更可能である。たとえば、（光）カード状の記録媒体に
応用する場合、１〜2m/secの低速で記録ヘッドを走査さ
せたとしても、通常の100倍もの転送レートが得られ
る。

このように、本発明の高密度情報記録媒体は情報を分
子単位で記録することができ、また、本発明の高密度情
報記録再生装置は高密度情報記録媒体に分子単位で情報
を記録させることができるとともに、この記録情報を再
生ならびに消去することができる。

［発明の効果］以上説明したように、本発明によれば、従来に比して
飛躍的に記録密度が向上された高密度情報記録媒体と、
この高密度情報記録媒体への情報の記録および記録情報
の再生ならびに消去を行うことができる高密度情報記録
再生装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の高密度情報記録媒体の一実施例を示す
断面図、第２図および第３図は本発明の高密度情報記録
媒体に用いるイオン伝導性物質の一例の構造を示す図、
第４図は本発明の高密度情報記録再生装置の一実施例を
示す模式図、第５図は高密度情報記録媒体と探針との位
置関係を示す模式図である。１、21…高密度情報記録媒体２……導電性基体層３……誘電体層４……イオン伝導性物質層 20……高密度情報記録再生装置 23……探針

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】導電性基体層と、前記導電性基体層の少な
くとも一面に形成された誘電体層と、前記誘電体層の表
面に形成され可逆的な構造変化を生じて導電率が変化す
るイオン伝導性物質層とを有することを特徴とする高密
度情報記録媒体。
【請求項２】可逆的な構造変化を生じて導電率が変化す
るイオン伝導性物質層を有する高密度情報記録媒体との
間にトンネル電流を発生させるための少なくとも１本の
探針と、情報信号に応じて前記探針と前記高密度情報記
録媒体との間に流れるトンネル電流の大きさを変化させ
前記イオン伝導性物質層に選択的に構造変化を生じさせ
ることにより情報を記録する記録手段と、構造変化を生
じた前記イオン伝導性物質層と前記探針との間に流れる
トンネル電流の大きさと構造変化を生じていない前記イ
オン伝導性物質層と前記探針との間に流れるトンネル電
流の大きさとの差異を検知して記録情報を再生する再生
手段と、前記探針と前記高密度情報記録媒体との間に記
録時とは逆方向の電流を流すことにより前記イオン伝導
性物質層を単一相状態に構造変化させて記録情報を消去
する消去手段とを具備することを特徴とする高密度情報
記録再生装置。