JPH0492233A - 記録媒体、記録消去方法、記録再生消去装置 - Google Patents

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の原理を用いたナノメ
ートルオーダーのビット径での記録・再生・消去が可能
な、記録媒体、記録消去方法及びこれらを用いた記録再
生消去装置に関する。

［従来の技術］ 近年、記録装置に於けるデータの記録容量は益々太き（
なる傾向がある。このような傾向においては記録単位の
大きさが益々小さくなり、その密度がさらに高くなるこ
とが必須要件となる。例えば、光記録によるデジタルオ
ーディオディスクにおいては、記録単位の大きさは１μ
ｍ２程度にまで及んでいる。

一方、導体の表面原子の電子構造を直接観察できる走査
型トンネル顕微鏡（以後、ＳＴＭと略す）が開発され［
Ｇ、Ｂ１ｎｎ１ｇ　　ｅｔａｌ、Ｐｈｙｓ、Ｒｅｖ、Ｌ
ｅｔｔ、４９．５７（１９８２）］、単結晶、非結晶を
問わず実空間像の高い分解能の測定ができるようになり
、しかも、電流による損傷を媒体に与えることなく、低
電力で観察できる利点をも有し、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できるため広範囲な
応用が期待されている。

かかるＳＴＭは、金属の探針（プローブ）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、
その間に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の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することにより、
実空間の表面構造を描（ことができると同時に表面電子
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Ｏ，ｌｎｍ程度である
。

従って、ＳＴＭの原理を応用すれば、十分に原子オーダ
ー（サブナノメートル）での高密度記録再生を行うこと
が可能である。この際の記録・再生方法としては、例え
ば特開昭６４−７０９４３号公報及び特開昭６４−７０
９４２号公報に開示されているように、記録媒体として
液晶等の極性化合物を用い、電圧を印加することによっ
て該化合物を電界の向きに沿って回転させることにより
記録を行い、その記録状態をトンネル電流により再生す
る方法が提案されている。

これについてさらに詳しく説明すると、第８図に示され
るような記録再生装置を用い、その際の記録媒体（メモ
リ一部５）として第９図（ａ）（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）
、（ｅ）に示されるように、 （ａ）、誘電体分子を用いるもの一分極の有無によるト
ンネル電流の大小によりメモリー出力を行う。

（ｂ）、多価元素原子を用いるもの→１原子の持つ荷電
数の違いによるトンネル電流の大小によりメモリー出力
を行う。

（Ｃ）０人工超格子を用いるもの→原子固有の電子雲の
違いによるトンネル電流の大小によりメモリー出力を行
う。

（ｄ）、導電性原子の配列による凹凸を用いるもの→膜
厚の変化によるトンネル電流の大小によりメモリー出力
を行う。

（ｅ）、非共有電子軌道が異方性を持つ分子を用いるも
の→ポテンシャルエネルギー障壁の大小によるトンネル
電流の大小によりメモリー出力を行う。

等が示されている。

しかしながら上記従来例では、導電性基板上ｉこ設けた
メモリ一部（記録層）に実際に記録・再生を行う場合、 ■、プローブ（探針）に記録層の一部（分子）力Ｓ付着
して、プローブ先端を汚染してしまったりする。

■、プローブ走査の影響で、基板上の記録媒体（分子）
が不安定に動いた結果、記録状態を消去してしまったり
、不安定になり再生が困難になったりする。

■、記録層が無秩序な配向をとる結果、記録媒体の構造
と記録状態の識別が困難になり、再生が事実上不可能に
なる。

［発明が解決しようとする課題１ すなわち、本発明の目的とするところは、プローブを用
いた情報の記録等の際に、記録層を構成する分子等がプ
ローブに付着したり、あるいは基板上で動いたり、再生
時に記録状態が変化したりすることのない、可逆的でか
つ安定な記録媒体、及びかかる記録媒体を用いた記録消
去方法、さらにはこれらを用いた記録再生消去装置を提
供することにある。

［課題を解決するための手段及び作用］そこで、上記目
的を達成すべく本発明の特徴とするところは、 第１に、導電性プローブと対向配置して用いられる、基
板上に記録層を積層した記録媒体において、 該記録層として、１分子内にアルキル基及び電子吸引性
官能基を有し、分子全体として電気双極子モーメントを
有しているものを用い、該基板として、記録層の積層表
面が原子オーダーで平坦であり、かつ、前記分子中のア
ルキル基の部分を吸着配向させるものを用いた記録媒体
にある。

ここで、本発明に係る記録層について詳述すると、 例えば、ベヘン酸：　ＣＨ３（ＣＩ（２）２ｏＣＯＯＨ
（Ｄように一分子内にＣＨ３（ＣＨ７）、、−（ｎ＝０
．１．２・・・）の−数式で表わされるアルキル基と、
例えば、ニド四基、カルボニル基、カルボキシル基、シ
アン基、スルホン基などの電子吸引性の官能基とを有し
、分子全体として電気双極子モーメントを有しているも
のを用いる。

また、ベヘン酸の他に、例えば、ドデシルベンゼンスル
ホン酸：　ＣＨ，（ＣＨ２）、Ｉ＋５Ｏ３Ｈや４−シア
ノ−４’　−ｎ−デシルビフェニル：ＣＨ，（ＣＨ，）
、−Ｃ■−（］→ｃＮ等があ６゜次に、本発明に係る基
板について詳述すると、例えば、導電性層状化合物結晶
のへき開面、特にグラファイトへき開面や、雲母つき開
面上に設けた金や白金等の貴金属のエピタキシャル成長
面を用いる。かかるエピタキシャル成長面は、例えば雲
母へき開面を基板として、基板を４００　’Ｃ程度に加
熱しながら、貴金属を５０００人程度０膜厚まで蒸着す
ることによって得られる。

以上のような構成によれば、分子中のアルキル基が基板
上に吸着するため、その後の記録、再生、消去等の分子
配向を変化させる操作を行っても、各々の分子が基板上
を移動したり、無秩序に入り乱れたりすることばない。

第２に、導電性を有するプローブと、前記第１に記載の
記録媒体との間に電圧を印加し、該記録媒体の分子の配
向状態の変化によって、該記録媒体と該プローブとの間
に流れるトンネル電流が変化することを利用した記録消
去方法であって、前記記録媒体を成す基板に対する前記
プローブの電位が正である第一のしきい値より絶対値が
大きく、同一極性の電圧を印加することにより記録を行
い、 前記記録媒体を成す基板に対する前記プローブの電位が
負である第二のしきい値より絶対値が大きく、同一極性
の電圧を印加することにより消去を行う記録消去方法を
特徴とする。

ここで、前記記録用の電圧が＋０．５〜＋２ボルトの間
であり、前記消去用の電圧が−０，５〜−２ボルトの間
であることが特に好ましい。

第３に、前記第１に記載の記録媒体と、該記録媒体を成
す基板に対してプローブの電位が正である電圧を、該基
板と該プローブとの間に印加する手段とを有する記録装
置、 第４に、前記第１に記載の記録媒体と、該記録媒体を成
す基板に対してプローブの電位が負である電圧を、該基
板と該プローブとの間に印加する手段とを有する消去装
置、 第５に、前記第１に記載の記録媒体と、前記第３に記載
の記録手段と、前記第４に記載の消去手段とを有する記
録再生消去装置、をも特徴とする。

以上のような構成とすることにより、プローブ走査中に
記録層を構成する分子がプローブに付着したり、基板上
で動いたり、再生時に記録状態に変化を与えたりするこ
となく、可逆的で安定な記録再生が可能となる。さらに
基板上で記録層分子を二次元に規則的に並べることが可
能で、記録層の構造と記録状態の識別が容易になるため
、ＳＺＮ比の良い再生が可能となる。

［実施例］ 以下、図面を用いて本発明の実施例により本発明の詳細
な説明する。第１図は本発明の記録・再生・消去装置の
構成を示すブロック図であり、第２図及び第３図は記録
の様子を示す図、第４図は記録・消去状態におけるブロ
ーブー基板間の電流−電圧特性を示す図、第５図及び第
６図は記録・消去状態における記録層分子の挙動を示す
図、第７図は記録・消去信号と再生信号の関係を示す波
形図である。

第１図に示すように記録・再生は、導電性を有するプロ
ーブ１０１を用い、これに対向配置させる記録媒体とし
て、本発明の導電性を有する基板１０２上に配向させた
記録層１．０３に行う。この時、プローブ１０１と記録
層１０３の間には、バイアス電源１０５により、バイア
ス電圧が加えられ、トンネル電源が流れる程度までｘｙ
ｚ位置制御素子１０４によって近づけられている。この
トンネル電流を電流−電圧変換回路１０６により電圧に
変換した信号を用いて、プローブ１０１と記録層１０３
が相対的に移動する際に平均距離が一定となるように制
御される。即ち、トンネル電流信号は平均トンネル電流
設定回路１０７に入力されて、所望の間隔となる設定値
とのエラー信号が検出され、その信号がローパスフィル
ター１０８、ホールド回路１０９、増幅器１１０を介し
て、位置制御素子１０４のＺ方向（図中矢印）の駆動の
電極に制御電圧が印加される。ローパスフィルター１０
８のカットオフ周波数は、プローブ１０１が記録層１０
３の面振れ、表面のうねりに追従できるように選ばれる
。これにより、プローブ１０１は記録層１０３との平均
距離が一定となるように、位置制御素子１０４によりＺ
方向に制御される。

また、記録・消去時には、記録・消去信号制御回路１１
１から、記録・消去信号に応じて、パルス印加回路１１
２に信号が送られる。このパルス印加回路１１２のパル
ス電圧は、加算器１１３によりバイアス電圧と加算され
、記録層１０３とプローブ１０１の間に印加されて、記
録・消去が行われる。その際、記録・消去信号制御回路
１１１から、パルス電圧印加と同じタイミングで、ホー
ルド回路１０９に信号が送られ、パルス電圧が印加され
ている間、プローブ１０１と記録層１０３の距離が変化
しないように、位置制御素子１０４のＺ方向駆動電圧を
保持する。

また、再生は、電流−電圧変換回路１０６から出力され
る信号によって行う。

さて、本実施例の記録媒体は、記録層１０３の分子とし
てベヘン酸：　ＣＨａ　（ＣＨ２）２゜Ｃ０ＯＨを用い
、基板１０２としてグラファイトのへき開面を用いて作
製した。

かかる記録媒体の形成においては、記録層１０３分子を
第２図に示すように配向させた。配向方法としては、上
記の分子を揮発性溶媒に溶かしたものを基板１０２上に
滴下し、溶媒を蒸発させる方法や、ラングミュア−プロ
ジェット法（ＬＢ法）を用いる。

ここで、基板１０２上の分子は、常温（〜３００Ｋ）程
度においては、主として分子中のアルキル基の部分と基
板表面の規則的な原子配列との間、及び細分子のアルキ
ル基の部分との間でのファンデルワールス力による相互
作用によって再配列を起こし、第２図に示すように、分
子の構造と基板材質で決まるような（二次元方向）にあ
る規則的な配向状態となる。

また、第２図に示すように、基板１０２上で２次元配向
状態をとる記録層分子２０２にプローブ１０１を近づけ
電圧を印加すると、第３図に示すように、プローブ１０
１と基板１０２間の電界によって、電気双極子モーメン
トを有する分子に力が加わり、局所的に分子の配向状態
が変化する。これを記録ビットとして用いる。

この詳細を第４図〜第６図を用いて説明する。

プローブと基板との間に印加する電圧値を一１〜＋１■
（プローブを基準とした基板の電位）の間で掃引すると
、第４図に示すような電流−電圧曲線が得られる。すな
わち、プローブに対して基板電圧を−１−ＯＶ→十０．
５ｖと変化させていくと、基板−プローブ間を流れる電
流値は低抵抗状態を保ち、さらに＋０．５■→＋１■と
変化させていくと高抵抗状態に遷移する。この状態から
、電圧を逆に＋ＩＶ−ＯＶ→０．５■と変化させてい（
と、高抵抗状態を保ち、さらに−０，５ｖ→１■と変化
させていくと再び低抵抗状態を遷移する。このときの低
抵抗状態は、第５図に示すようにプローブから基板へ向
かう向きの電界中で・分子中のアルキル鎖（電子供与性
）部分に対し、基板へより密着する方向にクーロン力が
働き、分子が基板表面に安定して吸着している状態と考
えられる。この状態では、プローブと分子の間に流れる
トンネル電流が容易に基板へ流れるため、低抵抗状態と
なる。これに対し、高抵抗状態は第６図に示すように、
基板からプローブへ向かう向きの電界中で、分子中のア
ルキル鎖部分に対し、基板から剥れる方向にクーロン力
が働き、分子の配向状態が変化すると考えられる。この
状態では、プローブと分子の間に流れるトンネル電流が
容易に流れないため、高抵抗状態となる。このような低
抵抗状態＝高抵抗状態間の遷移が起こるしきい値は、そ
れぞれ＋０．５Ｖ　（低抵抗−高抵抗）−Ｏ，５Ｖ　（
高抵抗−低抵抗）付近にある。

尚、±２Ｖ２ｖの電圧を印加すると電流値が不安定にな
ることから、低抵抗状態＝高抵抗状態間の遷移を起こす
ために印加する電圧値は、低抵抗→高抵抗の遷移につい
ては＋０．５Ｖ〜＋２■、高抵抗−低抵抗の遷移につい
ては−０，５■〜−２Ｖが好ましかった。

これらの低抵抗、高抵抗両状態を区別するために、再生
用バイアスとして、配向状態に影響を与えない電圧−Ｖ
、（例えば−３００ｍＶ）を印加すると、低抵抗、高抵
抗状態でそれぞれ一■（−２００ｐＡ）、−１，（−３
０ｐＡ）に対応する再生信号が得られた（第２図）。

次に、記録・消去時の電圧パルスについて、第７図を用
いて具体的に説明する。低抵抗状態りを示す部分にプロ
ーブを基準として基板のピーク電圧値＋１■の電圧パル
スＡを印加すると（第４図における低抵抗状態から高抵
抗状態への変化が起こり）、高抵抗状態Ｅとなり、記録
が行われる。

同様にピーク電圧値−１ｖの電圧パルスＢを印加すると
（第４図における高抵抗状態から低抵抗状態への変化が
起こり）、再び低抵抗状態Ｆに戻り消去が行われる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明の記録媒体、記録消去方法
、記録再生消去装置によれば、プローブ走査中に記録層
を構成する分子がプローブに付着したり、基板上で動い
たり、再生時に記録状態に変化を与えたりすることなく
、可逆的で安定な記録再生が可能となる。

また、基板上で記録層分子を二次元に規則的に並べるこ
とが可能で、記録層の構造と記録状態の識別が容易にな
るため、Ｓ／Ｎ比の良い再生が可能となる。

さらに、比較的低電圧、低電流による記録・消去である
ため、１ビツトの大きさも小さくでき、高密度記録が可
能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の記録・再生・消去装置の構成を示す
ブロック図である。 第２図及び第３図は、記録の様子を示す図である。 第４図は、記録・消去状態におけるブローブー基板間の
電流−電圧特性を示す図である。 第５図及び第６図は、記録・消去状態における記録層分
子の挙動を示す図である。 第７図は、記録・消去信号と再生信号の関係を示す波形
図である。 第８図及び第９図は、従来例の記録再生装置及び記録等
の手段を示した図である。 １０１・・・プローブ １０２・・・基板 １０３・・・記録層 １０４・・・ｘｙｚ位置制御素子 １０５・・・バイアス電源 １０６・・・電流電圧変換回路 １０７・・・平均トンネル電流設定回路１０８・・・ロ
ーパスフィルター １０９・・・ホールド回路 １、１０・・・増幅器 １１１・・・記録消去信号制御回路 １１２・・・パルス印加回路 １１３・・・加算器 ２０２・・・記録媒体分子 第１図 第４図 第５図 第６図 第８図 ２４シールトポ１ンクス

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）導電性プローブと対向配置して用いられる、基板
   上に記録層を積層した記録媒体において、 該記録層として、１分子内にアルキル基及び電子吸引性
   官能基を有し、かつ、分子全体として電気双極子モーメ
   ントを有しているものを用い、該基板として、記録層の
   積層表面が原子オーダーで平坦であり、かつ、前記分子
   中のアルキル基の部分を吸着配向させるものを用いるこ
   とを特徴とする記録媒体。
2. （２）前記基板として、導電性層状化合物結晶のへき開
   面又は貴金属のエピタキシャル成長結晶表面を用いるこ
   とを特徴とする請求項１記載の記録媒体。
3. （３）導電性を有するプローブと、請求項１に記載の記
   録媒体との間に電圧を印加し、該記録媒体の分子の配向
   状態の変化によって、該記録媒体と該プローブとの間に
   流れるトンネル電流が変化することを利用した記録消去
   方法であって、 前記記録媒体を成す基板に対する前記プローブの電位が
   正である第一のしきい値より絶対値が大きく、同一極性
   の電圧を印加することにより記録を行い、 前記記録媒体を成す基板に対する前記プローブの電位が
   負である第二のしきい値より絶対値が大きく、同一極性
   の電圧を印加することにより消去を行うことを特徴とす
   る記録消去方法。
4. （４）前記記録用の電圧が＋０．５〜＋２ボルトの間で
   あり、前記消去用の電圧が−０．５〜−２ボルトの間で
   あることを特徴とする請求項３記載の記録消去方法。
5. （５）請求項１又は２記載の記録媒体と、該記録媒体を
   成す基板に対してプローブの電位が正である電圧を、該
   基板と該プローブとの間に印加する手段とを有すること
   を特徴とする記録装置。
6. （６）請求項１又は２記載の記録媒体と、該記録媒体を
   成す基板に対してプローブの電位が負である電圧を、該
   基板と該プローブとの間に印加する手段とを有すること
   を特徴とする消去装置。
7. （７）請求項１又は２記載の記録媒体と、請求項５記載
   の記録手段と、請求項６記載の消去手段とを少なくとも
   有することを特徴とする記録再生消去装置。