JP2920915B2 - 記憶再生装置 - Google Patents

記憶再生装置

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    • B82Y10/00Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • GPHYSICS
    • G11INFORMATION STORAGE
    • G11BINFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
    • G11B9/00Recording or reproducing using a method not covered by one of the main groups G11B3/00 - G11B7/00; Record carriers therefor
    • G11B9/12Recording or reproducing using a method not covered by one of the main groups G11B3/00 - G11B7/00; Record carriers therefor using near-field interactions; Record carriers therefor
    • G11B9/14Recording or reproducing using a method not covered by one of the main groups G11B3/00 - G11B7/00; Record carriers therefor using near-field interactions; Record carriers therefor using microscopic probe means, i.e. recording or reproducing by means directly associated with the tip of a microscopic electrical probe as used in Scanning Tunneling Microscopy [STM] or Atomic Force Microscopy [AFM] for inducing physical or electrical perturbations in a recording medium; Record carriers or media specially adapted for such transducing of information

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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、情報の書込みおよび読出しを行う記憶方法
に関する。
(従来の技術) 現在実用化されている情報の記憶方法としては、磁気
テープ、フロッピー磁気ディスク、ハード磁気ディスク
のような磁気記録、レーザー光を媒介とした光記録(DR
AW)、光励起磁気カー効果を利用した光磁気記録、集積
回路のような電気記録が挙げられる。電子計算機などに
用いられる外部記憶装置としては、磁気記録が主流であ
り、光・光磁気記録の占める割合が徐々に増加してきて
いるのが現状である。外部記憶装置に関するこれまでの
技術動向は、“磁気テープからフロッピーディスク
へ”、“フロッピーディスクからハードディスクへ”、
“磁気記録の分野では長手記録から垂直記録へ”、“磁
気記録から光・光磁気記録へ”であり、これらの技術革
新はすべて、記録密度と信頼性の向上、すなわち小さな
面積にいかに多くの情報を蓄積し、しかも記憶された情
報をいかに長期間安定して保存しうるかという問題に係
わるものであった。
(発明が解決しようとする課題) しかしながら、記録密度の向上に関してはそれぞれの
記録方法は原理的に記録密度の限界を有している。例え
ば、磁気記録では磁化の方向が熱エネルギーによって振
動するために生じる常磁性、いわゆる超常磁性が記憶単
位の大きさを制限し、その値は直径10mm以上である。光
記録での光子の量子力学的な位置の不確定性(不確定性
原理)が記憶単位の寸法を決定し、絶対零度近傍におけ
る位置の不確定さが光子で1μm以上であることから、
1μm以下の記録単位で記録再生を行うことは不可能で
ある。また、電気記録では光子と同様の不確定性原理
と、電子トンネル効果がその超高集積化を阻んでおり、
電子の存在位置の不確定さに起因する記憶単位の限界は
約1nmである。
(課題を解決するための手段) 本発明は鋭利な先端を有する走査探針と、該探針が取
り付けられたアクチュエータと、該アクチュエータ駆動
用電源と、該探針に対向して配置される記憶媒体と、探
針と記憶媒体との間に電圧を印加するための電源と、探
針と記憶媒体間のトンネル電流を検知する検知装置と、
前記アクチュエータ駆動用電源に接続する信号再生装置
と、前記探針と記憶媒体間に電圧を印加するための電源
に接続する信号発生装置とを備えた記憶再生装置におい
て、前記走査探針と記憶媒体間に電圧を印加することに
より記憶媒体表面に原子レベルの凹みもしくは貫通穴を
設けることによって情報の書き込みを行い、原子レベル
の凹みもしくは貫通穴の有無をトンネル電流の変化によ
って検知し、情報の再生を行うことを特徴とする記憶再
生装置であり、また、鋭利な先端を有する走査探針と、
該探針を支持する探針ホルダーと、該ホルダーが取付け
られたアクチュエータと、該アクチュエータ駆動用電源
と、該探針に対向して配置される記憶媒体と、探針と記
憶媒体との間に電圧を印加するための電源と、探針と記
憶媒体間のトンネル電流を検知する検知装置と、前記探
針と記憶媒体間に電圧を印加するための電源に接続する
信号発生装置と、探針ホルダーの変形量を検知する光干
渉型変位計とこれに接続する信号再生装置とを備えた記
憶再生装置において、前記走査探針と記憶媒体間に転圧
を印加することにより記憶媒体表面に原子レベルの凹み
もしくは貫通穴を設けることによって情報の書き込みを
行い、原子レベルの凹みもしくは貫通穴の有無を光干渉
型変位計の変位によって検知し、情報の再生を行うこと
を特徴とする記憶再生装置である。
以上のように、これまでの記録方法には原理的に記憶
単位の最小寸法に限界があり、それによって記録密度の
上限が決定される。本発明の記憶方法では、探針と記憶
媒体間に電界を加え、記憶媒体を電界蒸発させることに
より原子レベルの凹み、もしくは貫通孔を設け、その凹
みや貫通孔により情報の記憶を行う。また、探針を記憶
媒体表面上で走査し、探針と記憶媒体間に流れるトンネ
ル電流、もしくは探針と記憶媒体間に作用する原子間力
を測定することにより、情報を読出すことを特徴とした
記憶方法である。本記憶方法では記憶媒体に原子を用い
るので、量子力学的不確定性に起因する記憶単位の限界
寸法は0.1nm以下であり、従来の記憶方法に比較して、
記憶密度を格段に向上させることが可能である。
(作用) 相対する2個の伝導性固体間に電圧を印加し、放電を
起こさせることによって一方の材料を除去することは、
すでに放電加工などの公知例がある。本発明は、超微細
放電加工に位置付けられ、超微細放電加工によって形成
された原子レベルの凹みにもしくは貫通孔によって情報
の書込みを行う。また、原子レベルの凹みもしくは貫通
孔の有無をトンネル電流、或いは原子間力の変化によっ
て検知し、情報の再生を行うものである。
例えば、Wの探針とグラファイトの記憶媒体の間に3V
のバイアス電圧を0.5sec間印加すると、グラファイトの
表面には直径約6nm、深さ約4nmの円形の凹みが形成され
る。同様に、バイアス電圧2V、印加時間0.1secに設定す
ると、直径約1nm、深さ約0.5nmの凹みが表面に形成され
る。これら原子レベルの凹みの存在は、バイアス電圧0.
1V以下、トンネル電流値数nAの条件下で観察したグラフ
ァイト表面のトンネル電流像により明瞭に識別・判定す
ることができる。直径約nmの記憶単位は、現在実用化さ
れつつあり、最も高い記録密度が得られる光磁気記録の
記憶単位の数10分の1〜100分の1以下の寸法である。
(実施例) 以下、実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。第
1図は本発明の一実施例である記録再生装置の構成図で
ある。1は電界研磨によりその先端半径を0.01μmと、
極めて鋭利に仕上げたW製の探針である。探針1はX、
Y、およびZ方向に精密駆動可能なアクチュエータ2に
取付けられており、記憶媒体3の表面上を極めて微笑な
間隔を保って移動することができる。記憶媒体の面内を
移動するXおよびY方向の精密駆動アクチュエータの駆
動範囲は20μmである。グラファイトの記憶媒体3が固
定されているステージ4は、記憶媒体と探針間の位置決
めを行うためにZ方向に粗調駆動可能であるとともに、
記憶媒体の平行度を調整するための傾斜機構も取付けら
れている。本装置は従来走査型トンネル顕微鏡(STM)
と総称されている表面観察装置と同様の機能を有してお
り、探針/記憶媒体間に流れるトンネル電流を定電流モ
ードで測定することができる。また探針/記憶媒体間の
距離はトンネル電流の測定により調整する。一定のトン
ネル電流値を与えるためにZ方向のアクチュエーターを
駆動するフィードバック電圧をモニターすることによ
り、凹みもしくは貫通孔の有無を判定した。なお、高電
圧を印加した際に針材料が電界蒸発しがたいこと、先端
が極めて鋭利に加工できることを考慮して、本発明では
探針にWを用いた。また、記憶媒体には原子像レベルの
観察が容易なグラファイトを用いたが、AuやPtなどの貴
金属も腐食により表面や記憶単位が変化することがな
く、高いトンネル電流が得られることから、適してい
る。
第2図は原子間力の変化によって情報の読出しを行う
記録再生装置の構成図である。構成は第1図に示したも
のとほぼ同様であるが、光干渉型変位計5によって探針
に作用する原子間力を検知し、その変化によって凹みも
しくは貫通孔の存在を検知するものである。記憶単位で
ある凹みや貫通孔が存在しない記憶媒体の平坦な表面に
対して探針を接近させ、トンネル電流を検出し、その状
態でZ方向のアクチュエーターを停止し、X、Y方向に
走査する。すなわち、定電圧モードでアクチュエーター
を走査すると、凹みや貫通孔のある部分では探針/記憶
媒体間の間隔が大きくなるために、探針/媒体間に作用
する原子間力は無視できるほどに低下する。探針を、Y
方向に駆動した際に探針に作用する原子間力の変化は、
探針1を支持している探針ホルダー1′に微小な曲げ変
形を生じさせ、その曲げ変形量を光干渉型変位計5によ
って検知した。探針/媒体間に作用する原子間力は10-7
〜10-10Nの範囲にある。原子間力が10-7Nのときの探針
ホルダーの曲げ変形量は約0.2nmである。なお、本記憶
再生装置に使用した光干渉型変位計の分解能は0.005nm
である。
第3図は本発明のトンネル電流による記憶再生装置の
システム構成図である。6、7、および8はそれぞれ
X、Y、およびZ方向のアクチュエーターを駆動する精
密電源である。9は探針と媒体間に印加するバイアス電
圧用の電源、10は媒体に凹みもしくは貫通孔を形成する
ための高応答性の電源、11は記憶媒体を固定した試料台
を駆動する粗調用電源、12は探針と記憶媒体間に流れる
トンネル電流の検知装置であり、電流検知装置12とサー
ボ回路13により精密電源8と粗調用電源11は制御されて
おり、探針と機構媒体表面との位置決め制御を行う。精
密電源8に印加される電圧が再生信号として用いられる
ため、精密電源8には信号再生装置14がつながってい
る。情報は、X、Yアクチュエーターにより探針を記憶
単位を書込みたい位置に移動させた後に、情報書込み用
の信号発生装置15と電源10により所定の電圧を、所定の
時間だけ探針/媒体間に印加することによって媒体に書
込まれる。
第4図は本発明の原子間力による記憶再生装置のシス
テム構成図である。6〜13および15は第3図とまったく
同様であるが、光干渉型変位計5に記憶単位の有無(原
子間力の変化)を0、1のデジタル信号に再生する信号
再生装置14が取付られている。
以上説明してきた本発明の記録再生装置では20μm角
の領域に最大1×108個もの記憶単位を書込むことが可
能である。記憶容量に換算すると約100メガビットに相
当し、極めて大容量しかも小型の記憶ファイルとして用
いることが可能である。本記憶装置は本来シーケンシャ
ル記憶に適しているが、ランダム・アクセスを行うこと
も可能である。また、探針が20μm角の領域を走査する
のに要する時間が約10秒であることから、シーケンシャ
ル記憶の場合100メガビットの情報を読出しに約10秒必
要である。本記憶装置は1種のDRAW(ダイレクト・リー
ド・アフター・ライト)媒体であり、その記憶単位は不
揮発であり、極めて信頼性の高い記憶装置である。本記
憶装置の信頼性を維持するためには本装置を真空中で使
用することが望ましいが、清浄気体中でも十分な信頼性
を有している。
(発明の効果) 以上のように、本記憶装置は極めて大容量、小型、か
つ信頼性の高いDRAW型記憶装置を提供するものである。
【図面の簡単な説明】
第1図、第2図、第3図および第4図は本発明の記憶再
生装置の実施例を示す図である。第1図、第2図、第3
図および第4図において、1……探針、1′……探針ホ
ルダー、2……XYZ精密駆動アクチュエータ、3……記
憶媒体、4……ステージ、5……光干渉型変位計、6〜
8……アクチュエータ駆動用精密電源である。9……バ
イアス電圧用電源、10……高応答性電源、11……粗調駆
動用電源、12……トンネル電流検知装置、13……サーボ
回路、14……信号再生装置、15……信号発生装置であ
る。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】鋭利な先端を有する走査探針と、該探針が
    取り付けられたアクチュエータと、該アクチュエータ駆
    動用電源と、該探針に対向して配置される記憶媒体と、
    探針と記憶媒体との間に電圧を印加するための電源と、
    探針と記憶媒体間のトンネル電流を検知する検知装置
    と、前記アクチュエータ駆動用電源に接続する信号再生
    装置と、前記探針と記憶媒体間に電圧を印加するための
    電源に接続する信号発生装置とを備えた記憶再生装置に
    おいて、前記走査探針と記憶媒体間に電圧を印加するこ
    とにより記憶媒体表面に原子レベルの凹みもしくは貫通
    穴を設けることによって情報の書き込みを行い、原子レ
    ベルの凹みもしくは貫通穴の有無をトンネル電流の変化
    によって検知し、情報の再生を行うことを特徴とする記
    憶再生装置。
  2. 【請求項2】鋭利な先端を有する走査探針と、該探針を
    支持する探針ホルダーと、該ホルダーが取り付けられた
    アクチュエータと、該アクチュエータ駆動用電源と、該
    探針に対向して配置される記憶媒体と、探針と記憶媒体
    との間に電圧を印加するための電源と、探針と記憶媒体
    間のトンネル電流を検知する検知装置と、前記探針と、
    記憶媒体間に電圧を印加するための電源に接続する信号
    発生装置と、探針ホルダーの変形量を検知する光干渉型
    変位計とこれに接続する信号再生装置とを備えた記憶再
    生装置において、前記走査探針と記憶媒体間に電圧を印
    加することにより記憶媒体表面に原子レベルの凹みもし
    くは貫通穴を設けることによって情報の書き込みを行
    い、原子レベルの凹みもしくは貫通穴の有無を光干渉型
    変位計の変位によって検知し、情報の再生を行うことを
    特徴とする記憶再生装置。
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