JPH04132028A

JPH04132028A - 情報処理装置及び情報処理方法

Info

Publication number: JPH04132028A
Application number: JP25011190A
Authority: JP
Inventors: Keisuke Yamamoto; 敬介山本; Yuji Kasanuki; 有二笠貫; Yoshio Suzuki; 義勇鈴木; Toshihiko Miyazaki; 俊彦宮崎
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1990-09-21
Filing date: 1990-09-21
Publication date: 1992-05-06

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は走査型トンネル顕微鏡（以下ＳＴＭと呼ぶ）の
原理を応用した情報処理装置及び方法に関する。

尚、本発明で言う情報処理とは、情報の記録、再生、消
去を含めた処理を指す。

［従来の技術］近年メモリ材料の用途は、コンピュータ及びその関連機
器、ビデオディスク、ディジタルオーディオディスク等
のエレクトロニクス産業の中核をなすものであり、その
材料開発も極めて活発に進んでいる。メモリ材料に要求
される性能は用途により異なる。が、一般的に高密度で
記録容量が大きいことが要求されている。

最近までは磁性体や半導体を素材とした磁気メモリや半
導体メモリが主であったが、近年のレーザー技術の進展
に伴ない、光メモリが開発され、記録媒体表面の凹凸、
反射率等の差異を利用して、μｍオーダーの高密度な記
録再生が可能となっている。この光メモリの記録媒体と
しては、金属又は金属酸化物の薄膜、有機色素薄膜等が
用いられ、レーザー光の熱を利用して、蒸発、溶融等に
より、穴をあけたり反射率を変化させて情報を記録して
おり、かかる方法においては使用するレーザー光のスポ
ット径が記録密度を規定している。

一方、最近、導電性物質の電子構造を直接観察できるＳ
ＴＭが開発されている［Ｇ。

Ｂ１ｎｎ１ｇ　　ｅｔ　　ａｌ、、Ｈｅ１ｖｅｔｉｃａ
　　Ｐｙｓｉｃａ　　Ａｃｔａ、５５，７２６（１９８
２）］。このＳＴＭは、単結晶、非晶質を問わず実空間
像が高い分解能で測定出来るようになり、しかも媒体に
電流による損傷を与えずに低電力で観測出来る利点をも
有し、更に大気中でも動作し、種々の材料に対して用い
ることが出来るため、広範囲な応用が期待されている。

上記ＳＴＭは、金属の探針（プローブ電極）と導電性物
質の間に電圧を加えてｌｎｍ程度の距離まで近づけると
トンネル電流が流れることを利用している。この電流は
両者の距離変化に非常に敏感であり、トンネル電流を一
定に保つように探針を走査させることにより、実空間の
表面構造を描くことができると同時に、表面原子の全電
子雲に関する種々の情報をも読み取ることができる。こ
の際、面内方向の分解能はＱ、ｌｎｍ程度である。従っ
て、ＳＴＭの原理を応用すれば、十分にｎｍオーダーで
の高密度記録再生が可能である。

そこで、ｎｍオーダーという、μｍオーダーの光メモリ
ーより更に高密度の記録再生を可能とすべく、従来、上
記ＳＴＭの原理を応用した記録再生について、電子ビー
ム、イオンビームあるいはＸ線、光等の電磁波により、
記録媒体の表面状態を変化させて記録し、ＳＴＭで再生
する方法や、記録媒体として電圧電流のスイッチング特
性においてメモリ効果を有する材料、例えばカルコゲン
化物類の薄膜層やπ電子系有機化合物の薄膜層を用いて
、記録再生をＳＴＭを用いて行なう方法が提案されてい
る。

又、ＳＴＭのプローブ電極に、フィールドエミッション
が生じる電圧をかけ、Ｒｈ−Ｚｒ合金の試料表面に局所
的に溶融させて、コーン状の突起を作るという試みもな
されている［Ｕ。

５ｔａｆｅｒ　　ｅｔ　　ａ　１　、　　、　　Ａ　ｐ
　ｐ　ＩＰｈｙｓ、Ｌｅｔｔ、５ユ（４）２７　　Ｊｕ
ｌｙ１９８７］。

［発明が解決しようとする課題］しかしながら、従来の光メモリでは、レーザー光を光学
系により収束させて記録再生を行なうため、光の波長以
下にビーム径を絞ることは難しく、なるべく波長の短い
光を使う等の改良がなされつつあるが、記録単位はμｍ
オーダーが限界で、これ以上の高密度化ができない問題
がある。

一方、ＳＴＭの原理を応用した情報の記録再生は、前述
のような試みはなされてはいるが、実用的な情報処理装
置の開発には至っていないのが現状である。

又、記録媒体は、導電性を有し、局所的加熱により溶融
又は蒸発して変形する材質からなるが、材質によっては
導電性が非常に低いものがあり、又薄膜であるので、そ
の記録媒体の面内方向の抵抗値が高（なり、情報の記録
時のプローブ電極に流す電流値が記録領域の場所で変動
したり、記録媒体自身の抵抗で発熱したりして、最適な
記録条件からはずれる場合が出てくる問題がある。

更に、局所的加熱により溶融又は蒸発させて媒体を変形
させるので、記録箇所のビット領域がかなり大きくなり
、高密度な記録が実現できない。

［課題を解決するための手段及び作用コ前記課題を解決
するために本発明では、少なくとも１つのプローブ電極
とこれに対向配置した水素貯蔵材料を含む記録媒体と、
前記プローブ電極と前記記録媒体との間に電圧を印加す
る手段と、前記プローブ電極と前記記録媒体との距離を
制御する手段とを有することを特徴とする情報処理装置
、又、記録媒体に水素を供給するための手段を備えたこと
を特徴とする情報処理装置、又、記録媒体を加熱するための手段を備えたことを特徴
とする情報処理装置とし、又、プローブ電極に対し、水素貯蔵材料を含む記録媒体
を近接させ、水素雰囲気下でプローブ電極と記録媒体と
の間に電圧を印加することにより、記録媒体の表面を凸
状に変化させて情報の記録を行うことを特徴とする情報
処理方法、又、プローブ電極に対し、水素貯蔵材料を含
む記録媒体を近接させ、水素雰囲気下でプローブ電極と
記録媒体との間に電圧を印加することにより、記録媒体
の表面を凸状に変化させて情報の記録を行い、記録媒体
を加熱することにより情報の消去を行うことを特徴とす
る情報処理方法、又、プローブ電極に対し、水素を貯蔵
した水素貯蔵材料を含む配録媒体を近接させ、プローブ
電極と記録媒体との間に電圧を印加することにより、記
録媒体の表面を凹状に変化させて情報の記録を行うこと
を特徴とする情報処理方法、又、プローブ電極に対し、
水素を貯蔵した水素貯蔵材料を含む記録媒体を近接させ
、プローブ電極と記録媒体との間に電圧を印加すること
により、記録媒体の表面を凹状に変化させて情報の記録
を行い、記録媒体に対して水素を供給することにより情
報の消去を行うことを特徴とする情報処理方法とするも
のである。

更に詳しく説明すると、本発明の記録媒体として用いる
水素貯蔵材料は、水素と反応して金属水素化物の形で水
素を吸蔵し、加熱あるいは減圧すれば水素を放出するこ
とが知られている。

例えば、Ｐｄでは、格子定数ａ＝３．８９０人であった
ものが、水素を吸蔵することによってａ＝４．０２５人
程度まで増加する。特に水素貯蔵材料を薄膜化すると、
この現象は極めて大きくなる。これは薄膜表面が、非常
に活性であるためと考えられている。

本発明ではあらかじめ水素を貯蔵した水素貯蔵材料から
形成される記録媒体を用いて、局所的に電界を印加する
ことによって、局所的表面の発熱が生じ、水素が脱離し
、結晶格子が縮んで凹部を形成する。

更に、一方の電極に少なくとも１つのプローブ電極を用
い、更にプローブ電極にＳＴ−を用いて、ごく近傍に近
付ける（約１　ｎｍ）ことにより電圧を印加し、水素ガ
スの脱離を起こす領域を制限し、極めて微小な領域に凹
部を形成させることによって、高密度記録を達成するこ
とができる。

又、本発明では、あらかじめ水素を貯蔵していない水素
貯蔵材料から形成される記録媒体を用いて、水素雰囲気
下でプローブ電極と記録媒体間に電圧を印加することに
より、記録媒体表面をより活性にし、水素の侵入を容易
にさせ、局所的に表面形状が膨張し、凸部を形成するこ
とによって情報を記録する。

記録媒体とプローブ電極の相対的移動は、任意の位置で
の情報の記録、再生、消去を可能にするためのもので、
特に情報の記録時に記録媒体とプローブ電極間の間隔が
一定に保持されるのは、所定の電界によって所定の表面
形状の変化をもたらす働きをなす。また、記録情報の再
生時に記録媒体とプローブ電極間の間隔が、両者間のト
ンネル電流を一定にする間隔に制御されることは、上記
情報の記録時の表面形状変化状態に沿った両者の相対的
縦方向の移動をもたらす働きをなす。

次に好ましい実施態様を挙げて本発明を更に詳しく説明
する。本発明においては、水素貯蔵材料が形成された薄
膜を支持するための基板は金属。

ガラス、セラミックス、プラスチック材料等いづれでも
よい。

本発明で用いられる水素貯蔵材料は、水素が侵入するこ
とによって体積が膨張し、脱離することによって収縮す
る材料であればよい。例えばＰｄ、やＴｉ、ＬａＮｉ、
、Ｔｉ−Ｍｎ系合金を始めとするＴｉ系合金、ｐＪｌｇ
−Ｎｉ系合金を始めとするＭｇ系合金があげられる。

又、プローブ電極としては、タングステン、Ｐｔ−Ｉｒ
、Ｐｔ等の先鋭な針状物が使用される。プローブ電極の
先端は記録、再生、消去の分解能を上げるため、出来る
だけ尖らせる必要がある。本発明では１ｍｍφの太さの
白金の先端を９０”のコーンになるように機械的に研磨
し、超高真空中で電界をかけて表面原子を蒸発させたも
のを用いている。

実施例１第１図は本発明の一実施例に係る情報処理装置の説明図
で、１はプローブ電極で、情報の記録再生用に用いられ
、タングステン針の先端を電解研磨したものを使用した
。

２は基板３上に形成された記録媒体、４はプローブ電極
１と記録媒体２の間に流れるトンネル電流を検出するプ
ローブ電流増幅器、５は図中の２方向すなわち縦方向に
プローブ電極１の移動制御するＺ方向サーボ回路、６は
プローブ電極１をＺ方向に駆動する圧電極累子等により
構成されるＺ方向微動機構である。

Ｚ方向サーボ回路５は、プローブ電流増幅器４で検出し
たプローブ電流を一定に保つように２方向微動機構６を
駆動し、プローブ電極１と記録媒体２との距離を制御す
る。

７は図中ＸＹ力方向なわち、横方向にプローブ電極１を
移動制御する圧電素子等で構成されるＸＹ方向微動機構
である。又８はＸＹ方向粗動機構で、圧電素子又は電磁
的手段により駆動される。これらＸＹ方向微動及び粗動
機構７．８を図示せぬ制御回路により制御し、記録媒体
２の記録領域の任意の位置にプローブ電極１を移動させ
ることができる。

又、これらのプローブ電極１及び記録媒体２間には排気
系が接続されており、水素ガスが導入できるようになっ
ている。このように、情報の記録は、水素雰囲気下で行
うことができる。

次に、情報の記録再生の方法について説明する。

まず、情報の記録方法について説明する。第１図で記録
媒体２及びプローブ電極１との間を排気し、真空にした
。その後、水素ガスを導入し、大気圧程度になるように
した。

記録すべき記録信号１２と記録媒体２上の記録位置信号
が回示せぬ制御回路から送られてくる。

そのときプローブ電極ｌはＸＹ方向微動及び粗動機構７
，８により、指定の記録位置まで記録媒体２との距離が
制御された状態で移動し、記録位置に到達した時記録信
号１２に対応するパルス電圧を発生するパルス電圧回路
１１により、プローブ電極ｌに記録用のパルス電圧が与
えられる。このパルス電圧により記録位置に過大な電流
が流れ、局所的に記録媒体２・の表面が活性化されて水
素原子が侵入しやすくなる。その結果、記録媒体２表面
が局所的に膨張して記録がなされる。その際、パルス電
圧を印加すると、プローブ電流が急激に変化するので、
Ｚ方向サーボ回路５はその間出力電圧が一定になるよう
にＨＯＬＤ回路をＯＮにするように制御している。その
ため、記録時にプローブ電極１と配録媒体２の距離が著
しく変化することはなく、安定な記録が出来る。

次に情報の再生方法については、情報の記録時と同様に
、図示せぬ制御回路から情報の再生すべき記録位置が支
持され、プローブ電極１は、ＸＹ方向微動及び粗動機構
７．８により、指定の位置まで移動し、情報の再生を開
始する。そのとき、プローブ電極１は、２方向サーボ回
路５により、記録媒体２上の記録により生じた凸部をト
ンネル電流が一定になるようになぞるので、２方向サ−
ボ回路色から一２方向微動機構６に与える制御信号は、
記録媒体２の表面の凹凸に対応しており、この制御信号
を再生信号復調回路９で波形整形等の処理をすることに
より再生信号１０が得られる。

第２図は、本発明の記録媒体２上に生じる記録形状例を
示す斜視図で、記録時のプローブ電極１に印加するパル
ス電圧の大きさ、印加時間、雰囲気中の水素濃度、水素
の圧力、また記録媒体２の材質等の違いにより記録形状
が異なって（る。すなわち、プローブ電極１の先端では
、記録パルス電圧印加時には、通常のトンネル電流数Ｐ
Ａ〜数ｎＡに比較してはるかに多くの電流がフィールド
エミッションにより流れ、記録媒体２の表面を局所的に
洗浄し表面が活性化される。そのため、表面部分は、水
素が侵入し易すくなり、その結果、膨張し、第２図のよ
うに表面部分に凸部が形成される。その形状の制御は、
記録条件を調整することにより最適化することが可能で
ある。この凸部の大きさは、直径数１０ｎｍ〜数ｎｍ程
度とすることが可能で、非常に高密度の記録再生が可能
となる。尚、消去法に関しては図示はしていないが、本
発明の記録媒体２をヒーターによる加熱装置にて、２０
０℃程度に加熱することにより、容易に水素を離脱する
ことができる。これにより、全面消去は簡単におこなえ
る。

実施例２第３図は、裏面側に記録媒体２より導電性の良い下地層
１３を設けて、記録媒体２を形成した基板３の断面図で
ある。この２層構造とした場合、情報の記録時の電流の
ほとんど大部分は導電層１３を通して行なわれるため、
記録領域全面にわたって安定な記録が出来るようになっ
た。この結果、更にＳＮ比の高い情報の記録が行なわれ
た。

実施例３第４図に本発明の他の実施例である情報処理装置の構成
を示す。

プローブ電極１として白金製のプローブ電極、記録媒体
２としてＰｄ、基板３としてサファイア単結晶基板を用
いた。２０１はＸＹステージ、２０３はプローブ電極１
の支持体、６はプローブ電極ｌを２方向に駆動する２方
向微動機構、１１はパルス電圧回路である。２０８は、
記録媒体２を水素化させるための水素ガス導入口、２０
９は不活性ガスを導入する不活性ガス導入口である。

３０２は電流の変化をプローブ電極１と記録媒体２の間
隙距離に比例する値に変換するための対数圧縮器、３０
３は記録媒体２の表面凹凸成分を抽出するための低域通
過フィルターである。３０４は基準電圧Ｖ　ＦＩＥＦと
低域通過フィルター３０３との出力との誤差を検出する
誤差増幅器、３０５はアクチュエーター２０４を駆動す
るドライバーである。３０６はＸＹステージの位置制御
を行う駆動回路、３０７はデータ成分を分離する高域通
過フィルターである。更に図示はしていないが、本情報
処理装置の記録媒体２は排気装置がつなぎこまれており
、記録媒体２中では水素雰囲気、ないしは不活性ガス雰
囲気のどちらかを選択的に行えるようになっている。

基板３上にスパッタリング法によりＰｄ薄膜を形成し記
録媒体２を形成した。このＰｄ薄膜の凹凸性は極めてフ
ラットであった。この記録媒体２をＸＹステージ２０１
上に固定した。その後、日排気した後、水素ガス導入口
２０８から水素ガスを導入し、７００ｍＴｏｒｒ程度の
水素雰囲気にした。これにより、Ｐｄ薄膜は急速に水素
を内部に取り込み膨らむ。充分Ｐｄ薄膜に水素を吸蔵さ
せた後、もう−度排気し、不活性ガス導入口２０９から
Ａｒガスを導入させ一気圧程度とした。その後、プロー
ブ電極１の位置を固定した。

模式的には第５図のようになる。

パルス電源１１から矩形パルスで約５Ｖ印加したところ
、第６図に示すように、局所的表面の発熱により水素が
脱離し凹部を形成した。つまり、パルスを印加すること
によりフラット部と凹部の２値記録ができた。この記録
媒体２を用いた情報の記録、再生、消去の実験について
詳細に記す。

プローブ電極１と記録媒体２との間にＩＶの電圧を印加
し、電流をモニターしながらプローブ電極１と記録媒体
２との距離２を調整した。ＸＹステージ２０１を一定の
間隔（１μｍ）で移動させながら約５■以上の矩、形パ
ルス電圧を印加して凹部を生じさせた。その後、プロー
ブ電極１と記録媒体２との間に読み取り用の１ｖのプロ
ーブ電圧を印加して、電流量の変化を読み取る。凹部が
形成された領域ではプローブ電極１と記録媒体２間の距
離がフラット面に対して長くなるので、電流値が著しく
減少する。このようにして直接読み取ることができた。

更に排気し、もう−度水素ガス導入口２０８から水素ガ
スを入れてやると、第５図のように凹部は復元されて、
全ての記録状態が消去されていることを確認した。

［発明の効果］ ■−台の装置で、ＳＴＭの原理を応用した情報の記録再
生を行うことができ、特にＳＴＭの原理により、数十〜
数ｎｍオーダーの非常に高密度の情報の記録再生が可能
となる。

■水素原子の吸入又は脱離により凸部又は凹部を形成す
るので、従来の加熱により溶融、蒸発させて変形させる
ものより、より微細なビット記録が可能となり、高密度
な記録が可能となる。

■記録層が薄くてよいため、生産性に冨み、安価な記録
媒体を提供することができる。

■再生に必要なエネルギーは小さいため、消費電力は少
ない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の情報処理装置の概略図、第２図は、
情報の記録時の様子を示す斜視図、第３図は、実施例２
で使用した基板の断面図、第４図は１本発明の情報処理
装置を図解的に示すブロック構成図、第５図、第６図は、本発明の一実施例である記録媒体の
断面図である。１ニブローブ電極２：記録媒体３：基板４ニブローブ電流５：ｚ方向サーボ回路６：ｚ方向微動機構７：ＸＹ方向微動機構８：ＸＹ粗動機構９：再生信号復調回路１０：波形１１：パルス電圧回路１２：波形１３：導電層１４：凸部２０１：ＸＹステージ２０３ニブローブ電極の支持体２０８：水素ガス導入口２０９：不活性ガス導入口３０２：対数圧縮器３０３：低域通過フィルター３０４：誤差増幅器３０５ニドライバー３０６：駆動回路３０７：高域通過フィルター

Claims

【特許請求の範囲】

（１）少なくとも１つのプローブ電極とこれに対向配置
した水素貯蔵材料を含む記録媒体と、前記プローブ電極
と前記記録媒体との間に電圧を印加する手段と、前記プ
ローブ電極と前記記録媒体との距離を制御する手段とを
有することを特徴とする情報処理装置。
（２）記録媒体に水素を供給するための手段を備えたこ
とを特徴とする請求項（１）に記載の情報処理装置。
（３）記録媒体を加熱するための手段を備えたことを特
徴とする請求項（１）に記載の情報処理装置。
（４）プローブ電極に対し、水素貯蔵材料を含む記録媒
体を近接させ、水素雰囲気下でプローブ電極と記録媒体
との間に電圧を印加することにより、記録媒体の表面を
凸状に変化させて情報の記録を行うことを特徴とする情
報処理方法。
（５）プローブ電極に対し、水素貯蔵材料を含む記録媒
体を近接させ、水素雰囲気下でプローブ電極と記録媒体
との間に電圧を印加することにより、記録媒体の表面を
凸状に変化させて情報の記録を行い、記録媒体を加熱す
ることにより情報の消去を行うことを特徴とする情報処
理方法。
（６）プローブ電極に対し、水素を貯蔵した水素貯蔵材
料を含む記録媒体を近接させ、プローブ電極と記録媒体
との間に電圧を印加することにより、記録媒体の表面を
凹状に変化させて情報の記録を行うことを特徴とする情
報処理方法。
（７）プローブ電極に対し、水素を貯蔵した水素貯蔵材
料を含む記録媒体を近接させ、プローブ電極と記録媒体
との間に電圧を印加することにより、記録媒体の表面を
凹状に変化させて情報の記録を行い、記録媒体に対して
水素を供給することにより情報の消去を行うことを特徴
とする情報処理方法。