(57)【要約】【課題】ＭＥ効果を応用した磁気記録において、熱的安定性の向上した磁気記録デバイスを提供すること。【解決手段】基板、基板上に設けられ、かつ、反強磁性金属を主として含む電極、電極上に設けられ、かつ、電気磁気効果を有する、反強磁性体、フェリ磁性体、又はこれらの組み合わせを主として含む第一の記録媒体層、及び、第一の記録媒体層上に設けられ、かつ、第一の記録媒体層に記録された磁気情報が転写され、読み取りに必要な強さの磁化を発生する、強磁性体を主として含む第二の記録媒体層、を含む記録媒体と、記録媒体に対して電界を印加する電界印加装置と、記録媒体に対して磁界を印加する磁界印加装置と、を備える、磁気記録デバイス。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板、
前記基板上に設けられ、かつ、反強磁性金属を主として含む電極、
前記電極上に設けられ、かつ、電気磁気効果を有する、反強磁性体、フェリ磁性体、又はこれらの組み合わせを主として含む第一の記録媒体層、及び、
前記第一の記録媒体層上に設けられ、かつ、前記第一の記録媒体層に記録された磁気情報が転写され、読み取りに必要な強さの磁化を発生する、強磁性体を主として含む第二の記録媒体層、を含む記録媒体と、
前記記録媒体に対して電界を印加する電界印加装置と、
前記記録媒体に対して磁界を印加する磁界印加装置と、を備える、磁気記録デバイス。
【請求項２】
前記電極に主として含まれる反強磁性金属のネール温度が、前記第一の記録媒体層に主として含まれる反強磁性体、フェリ磁性体、又はこれらの組み合わせのネール温度以上である、請求項１に記載の磁気記録デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気記録デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
ハードディスクを代表とする磁気記録システムは、コンピュータネットワークの発展、特にクラウドコンピューティングに対応した大規模データセンター向け用途の拡大とともに、大容量化が強く求められている。
【０００３】
これまで進化を続けてきたハードディスクは、工学的な限界も近く、記録磁界を実質的に有効にする熱アシスト（特許文献１）やマイクロ波アシスト(特許文献２)の記録技術の実用化が検討されている。
【０００４】
一方、従来の信号記録や信号の保持とは異なる原理に基づく磁気記録技術に着目し、非特許文献１に開示された、電気と磁気の交差相関である電気磁気効果（以下、「ＭＥ効果」という。）を応用したスピンバルブやＴＭＲ素子などの磁気抵抗効果素子などが提案されている（特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−５６６３１号公報
【特許文献２】特開２０１３−２２９０８４号公報
【特許文献３】米国特許第７，７１９，８８３号明細書
【特許文献４】米国特許第８，７２４，４２４号明細書
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｘ．Ｈｅ．ｅｔ．ａｌ．，Ｎａｔｕｒｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，９，５７９（２０１０）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ハードディスクドライブのような磁気記録デバイスにおいては、記録媒体上の所望の領域の磁化の方向を選択的に操作することによって情報の記録を行うため、磁化の方向の操作に加えて、任意の領域の磁化のみを操作する技術が必要とされる。そのため、ハードディスクドライブのような磁気記録デバイスにＭＥ効果を応用するには、磁気記録デバイスの構成を詳細に検討する必要がある。
【０００８】
例えば、本発明者らは、記録媒体として、ＭＥ効果を有する、反強磁性体、フェリ磁性体、又はこれらの組み合わせを主成分として含む第一の記録媒体層と、それに隣接するように配置した強磁性体を主として含む第二の記録媒体層と、を含む積層膜を用いることを検討している（特許文献４）。
【０００９】
このような技術における正確な記録再生のためには、第一の記録媒体層における、反強磁性状態又はフェリ磁性状態を維持しうる熱的安定性が重要な要素の一つである。データセンターのように使用環境がほぼ一定の場合には、使用時に外部から受ける熱の影響が少ないため、熱的安定性の問題はさほど大きな問題ではないように思われる。しかし、使用環境が大きく変化する場合も考慮する必要がある。
【００１０】
そこで、本発明は、ＭＥ効果を応用した磁気記録において、熱的安定性の向上した磁気記録デバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、基板、基板上に設けられ、かつ、反強磁性金属を主として含む電極、電極上に設けられ、かつ、電気磁気効果を有する、反強磁性体、フェリ磁性体、又はこれらの組み合わせを主として含む第一の記録媒体層、及び、第一の記録媒体層上に設けられ、かつ、第一の記録媒体層に記録された磁気情報が転写され、読み取りに必要な強さの磁化を発生する、強磁性体を主として含む第二の記録媒体層、を含む記録媒体と、記録媒体に対して電界を印加する電界印加装置と、記録媒体に対して磁界を印加する磁界印加装置と、を備える、磁気記録デバイスを提供する。
【００１２】
本発明によれば、反強磁性金属を主として含む電極の上に第一の記録媒体層が設けられていることにより、使用時等に、第一の記録媒体層へ過剰な熱負荷がかかった場合にも、熱伝導性の高い金属材料を介して熱が拡散され、第一の記録媒体層における温度上昇を効率よく抑制することができる。また、反強磁性金属のスピンが、第一の記録媒体層に主として含まれる、反強磁性体、フェリ磁性体、又はこれらの組み合わせのスピンを保持するように作用するためか、第一の記録媒体層の熱的安定性を向上させることができる。
【００１３】
これにより、本発明は、ＭＥ効果を応用した磁気記録において、熱的安定性の向上した磁気記録デバイスを提供することができる。
【００１４】
ここで、電極に主として含まれる反強磁性金属のネール温度が、第一の記録媒体層に主として含まれる反強磁性体、フェリ磁性体、又はこれらの組み合わせのネール温度以上であることが好ましい。
【００１５】
電極に主として含まれる反強磁性金属のネール温度が、第一の記録媒体層に主として含まれる反強磁性体、フェリ磁性体、又はこれらの組み合わせのネール温度以上であることにより、反強磁性金属のスピンが第一の記録媒体層に発生しているスピンをより安定的に保持できるためか、使用時等に過剰な熱負荷がかかった場合にも、第一の記録媒体層の熱的安定性をより向上させることが可能になる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ＭＥ効果を応用した磁気記録において、熱的安定性の向上した磁気記録デバイスを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本実施形態に係る磁気記録デバイスにおける磁気記録の基本原理を示す模式図である。
【図２】本実施形態に係る記録媒体を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。以下の説明は本発明の実施形態の一部を例示するものであり、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。また、本発明の技術的思想を有するものである限り、実施形態は本発明の範囲に含まれる。各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせなどは一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。なお、以下の説明では、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１９】
＜磁気記録デバイス＞
本実施形態に係る磁気記録デバイスにおける磁気記録の基本原理について図１を参照して説明する。磁気記録デバイス２００を構成する基本要素は、電気磁気効果（以下、「ＭＥ効果」という）を利用して磁気情報が記録される記録媒体１、記録媒体１に対して磁界を印加する磁界印加装置２、及び、記録媒体１に対して電界を印加する電界印加装置３を備える。本実施形態に係る磁気記録デバイス２００における磁気情報の記録は、記録媒体１に対して磁界と電界とを同時に印加することによって行う。ここで、「電界と磁界とを同時に印加する」とは、記録媒体１に、より正確には記録媒体１に含まれる第一の記録媒体層１０１に対して、電界と磁界とが重なった部分（以下、「重畳領域」という場合がある。）を一時的に形成することを意味する。本実施形態において、「ＭＥ記録」を、「記録媒体に対して電界と磁界との重ね合わせを生じさせ、電界又は磁界のいずれか一方を反転させることによって記録媒体の磁化方向を操作する記録方法」と定義する。
【００２０】
ＭＥ効果を利用して記録媒体１に磁気情報を記録するには、印加する磁界と電界とを空間的に狭い領域でのみ重畳し、さらに、この重畳領域を記録媒体１上の任意の場所に移動する機構が必要とされる。これには、ハードディスクに利用されているヘッド・アセンブリ技術を基本に用いることができる。
【００２１】
具体的には、図１に示すように、記録媒体１に、磁界印加装置２から放射される空間的に限定された磁界２５と、第一の電極３１と第二の電極３２との間に加えられた電界３５と、が重なる領域、すなわち、重畳領域４５が形成されている。そして、記録媒体１が、重畳領域４５を移動することができるように配置され、例えば記録媒体１を移動させながら、重畳領域の磁界と電界を適宜切り替えることで、磁化情報を連続して記録媒体１の第一の記録媒体層１０１に記録させることが可能である。
【００２２】
［記録媒体］
図２は、本実施形態に係る記録媒体１を示す模式図である。記録媒体１は、基板４０と、反強磁性金属を主として含む第一の電極３１と、第一の記録媒体層１０１と、第二の記録媒体層１０２とをこの順に備えて構成される。ただし、記録媒体１は、これらの層だけに限定されず、例えば、磁界印加装置２から放射される磁界を絞り込む目的で、第一の電極３１と基板４０の間に軟磁性層を設けてもよい。
【００２３】
（基板）
基板４０は、反強磁性金属を主として含む第一の電極３１、第一の記録媒体層１０１、及び、第二の記録媒体層１０２を保持する。基板４０としては、アルミニウム、アルミニウム合金等の金属材料からなる金属基板を用いてもよく、ガラス、セラミック等非金属材料からなる非金属基板を用いてもよい。
【００２４】
基板４０は、平均表面粗さＲａが２ｎｍ以下、好ましくは１ｎｍ以下であることが望ましい。基板４０の表面は、微小うねり（Ｗａ）が０．３ｎｍ以下であるとよく、０．２５ｎｍ以下であることが好ましい。これらの数値範囲は、記録ヘッドを低浮上量で安定させる観点から好ましい。なお、表面の微少うねり（Ｗａ）は、測定範囲１００μｍで触針式表面平均粗さ計により測定した値である。
【００２５】
（第一の電極）
第一の電極３１は、反強磁性金属を主として含む。反強磁性金属は、使用環境下において、導電率が、１×１０２Ω−１・ｃｍ−１以上である、反強磁性体である。反強磁性金属としては、ＩｒＭｎ、ＦｅＭｎ、ＭｎＰｔ、ＡｕＭｎ、ＭｎＰｄ、又は、ＭｎＴｅ等のＭｎ系合金が挙げられる。ここで、「主として含む」とは、反強磁性金属が第一の電極３１に、第一の電極３１として反強磁性金属の性質を発現する程度の量含まれることを意味する。以下、反強磁性金属を主として含む第一の電極３１を、「反磁性金属電極３１」という場合がある。
【００２６】
反強磁性金属電極３１は、記録媒体１に電界を印加するための一方の電極として機能するとともに、絶縁破壊に対する耐性を付与する観点から、導電率が、１×１０２Ω−１・ｃｍ−１以上１×１０６Ω−１・ｃｍ−１以下であることが好ましく、１×１０３Ω−１・ｃｍ−１以上１×１０４Ω−１・ｃｍ−１以下であることがより好ましい。
【００２７】
（第一の記録媒体層）
第一の記録媒体層１０１は、ＭＥ効果を有し、反強磁性体、フェリ磁性体、又はこれらの組み合わせを主として含み、外部から印加される電界と磁界の重ね合わせに応答して磁気情報を保存する機能を有する。ここで、「主として含む」とは、反強磁性体、フェリ磁性体、又はこれらの組み合わせが、第一の記録媒体層１０１としてＭＥ効果を発現する程度の量含まれることを意味する。
【００２８】
第一の記録媒体層１０１に記録された磁気情報は、後に詳述する、強磁性体を主として含む第二の記録媒体層１０２に転写され、第二の記録媒体層１０２において読み取りに必要な強さの磁化が発生する。すなわち、交換結合を介して、第一の記録媒体層１０１と第二の記録媒体層１０２とが磁気的に接続されることにより、記録媒体１に情報が記録されることとなる。
【００２９】
一般に、反強磁性体では、スピンの配列状態は二つとることができる。ＭＥ効果を有する第一の記録媒体層１０１に外部から電界と磁界とが同時に印加された場合、印加された電界と磁界の関係が概平行であるか、又は、概反平行であるかによって、一方のスピン配列状態が他方のスピン配列状態よりもエネルギー的により安定になる。すなわち、第一の記録媒体層１０１のスピン配列状態を能動的に制御することができ、結果として上述の交換結合を介して、隣接する第二の記録媒体層１０２の磁化状態を操作することができるようになる。スピンの並び方から区別した場合、反強磁性体とフェリ磁性体の性質が近似することから、本発明において、ＭＥ効果を有する反強磁性体とＭＥ効果を有するフェリ磁性体とは同質の材料として位置付けることができ、第一の記録媒体層１０１にＭＥ効果を有する反強磁性体が主として含まれる場合のみならず、ＭＥ効果を有するフェリ磁性体が主として含まれる場合や、ＭＥ効果を有する反強磁性体とＭＥ効果を有するフェリ磁性体とが主として含まれる場合にも、同様の作用効果が奏される。
【００３０】
第一の記録媒体層１０１は、外部から印加される電界と磁界の重ね合わせに応答して、磁気情報を書込まれる機能と、その情報を第二の記録媒体層１０２へ転写することによる情報の記録を担う機能と、を有する。第一の記録媒体層１０１に好適な特性としては、電気と磁気の結合係数が大きいこと、及び、広い温度範囲で十分な強度の交換結合を発現できることが挙げられる。
【００３１】
上記特性は、優れたＭＥ効果を有する材料を単独で用いることにより得ることができるが、ＭＥ効果を有する反強磁性体又はフェリ磁性体と、より高いネール温度を持つ別の反強磁性体と、を組み合わせた複合材料を用いることにより得ることもできる。
【００３２】
第一の記録媒体層１０１は、例えば（ａ）Ｃｒ２Ｏ３、ＢｉＦｅＯ３等ＭＥ効果を有する酸化物反強磁性体、及び、Ａｌ１−ｘ―ｙＧａｘＦｅ１＋ｙＯ３（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．３、０≦ｘ＋ｙ≦１）等ＭＥ効果を有する酸化物フェリ磁性体の少なくとも一つを含む薄膜材料とすることが可能である。また、（ｂ）Ｃｒ２Ｏ３、ＢｉＦｅＯ３等ＭＥ効果を有する酸化物反強磁性体、及び、Ａｌ１−ｘ―ｙＧａｘＦｅ１＋ｙＯ３（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．３、０≦ｘ＋ｙ≦１）等ＭＥ効果を有する酸化物フェリ磁性体の少なくとも１種を母体とする混晶体も可能である。
【００３３】
また、（ｃ）上記（ａ）に記載された化合物及び上記（ｂ）に記載された混晶体のうちの少なくとも１種と、上記（ａ）に記載された化合物及び上記（ｂ）に記載された混晶体より高いネール温度を有する反強磁性材料との複合材料（積層体又は混合体）としてもよい。この場合、第一の記録媒体層１０１と第二の記録媒体層１０２との間に発現する交換結合の熱的・時間的安定性が向上する傾向にある。これらの複合材料は、所定の温度領域での交換結合を最大にできるように、材料の構造や層の厚み、磁気特性（反強磁性体の異方性エネルギーやネール温度など）などを調整できる。
【００３４】
上記反強磁性材料としては、公知のネール温度の高い反強磁性材料を適宜選択して用いることができる。代表的にはＦｅ２Ｏ３、（１−ｘ）Ｆｅ２Ｏ３−ｘＲｈ２Ｏ３、（１−ｘ）Ｆｅ２Ｏ３−ｘＲｕＯ２、（１−ｘ）Ｆｅ２Ｏ３−ｘＩｒＯ２（ただしｘは０＜ｘ＜１）のような酸化物反強磁性体、又は、ＩｒＭｎ、ＦｅＭｎなどのような金属反強磁性体を用いることができる。
【００３５】
第一の記録媒体層１０１は、単層であっても、一層が所望の厚みになる条件で分割された積層体であってもよい。
【００３６】
上記第一の記録媒体層１０１は１ｎｍ〜１μｍ程度の厚みであってよい。上述した材料の組み合わせにおいて、ＭＥ効果を出現、制御する観点から、上記第一の記録媒体層１０１が絶縁性を有することが好ましい。上記第一の記録媒体層１０１が絶縁性を有するように、上述した材料の配合量を調整するとよい。
【００３７】
（第二の記録媒体層）
第二の記録媒体層１０２は、強磁性体を主として含み、第一の記録媒体層１０１と交換結合を介して磁気的に接続されることにより、第一の記録媒体層１０１に記録された磁気情報が転写され、第二の記録媒体層１０２には第一の記録媒体層１０１に書込まれた磁気情報を外部に読み出すために必要な強さの磁化が発生する。これにより、記録媒体１に情報が記録されることとなる。ここで、「主として含む」とは、強磁性体が第二の記録媒体層１０２に、第二の記録媒体層１０２として第一の記録媒体層１０１との交換結合を発現し、第一の記録媒体層１０１に書込まれた磁気情報を外部に読み出すために必要な強さの磁化が発生する程度の量含まれることを意味する。
【００３８】
第二の記録媒体層１０２は、第一の記録媒体層１０１に書込まれた磁気情報を読み出すための磁界を発生する機能を有する。第二の記録媒体層１０２に主として含まれる強磁性体としては、このような機能を有する金属の合金、又は、規則合金から成る硬質磁性材料を適宜選択して使用できる。これらは単層であっても、積層体であってもよい。例えば、ＣｏＰｔ、ＦｅＰｔ及び、その合金も好適に用いられる。特に、ＣｏＣｒＰｔ系、ＣｏＣｒＰｔＢ系を用いることができる。ＣｏＣｒＰｔ系では、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｐｔ（Ｃｒ含有量１４〜２４ａｔ％、Ｐｔ含有量８〜２２ａｔ％、残部Ｃｏ）、ＣｏＣｒＰｔＢ系では、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｐｔ−Ｂ（Ｃｒ含有量１０〜２４ａｔ％、Ｐｔ含有量８〜２２ａｔ％、Ｂ含有量０．５〜１６ａｔ％、残部Ｃｏ）が好ましい。
【００３９】
第二の記録媒体層１０２は、任意の軟磁性材料を含んでもよい。軟磁性材料は非晶質であっても微結晶であってもよい。第二の記録媒体層１０２に用いる軟磁性材料としては飽和磁束密度Ｂｓの値が大きいほうが好ましい。軟磁性材料は、公知の保磁力の小さな軟磁気特性を示す材料を適宜選択して用いることができる。例えば、Ｆｅ、Ｃｏ等の金属、ＣｏＴａＺｒ等のコバルト系合金、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＣｒＦｅＢ、ＦｅＣｏＮ、ＦｅＣｏＶ、ＦｅＣｏＴａＺｒ、ＣｏＦｅＺｒＮｂ等のＣｏＦｅ系合金、ＮｉＦｅ、［ＮｉＦｅ／Ｓｎ］ｎ多層構造やＦｅＮｉＭｏ、ＦｅＮｉＣｒ、ＦｅＮｉＳｉ等のＮｉＦｅ系合金、ＦｅＣｒ、ＦｅＣｒＴｉ、ＦｅＣｒＣｕ等のＣｒＦｅ系合金、ＦｅＴａ、ＦｅＴａＣ、ＦｅＴａＮ等のＴａＦｅ系合金、ＦｅＡｌＳｉ、ＦｅＡｌ、ＦｅＡｌＳｉＣｒ、ＦｅＡｌＳｉＴｉＲｕ、ＦｅＡｌＯ等のＦｅＡｌ系合金、ＦｅＭｇＯ等のＦｅＭｇ系合金、ＦｅＺｒＮ等のＦｅＺｒ系合金、ＦｅＣ系合金、ＦｅＮ系合金、ＦｅＳｉ系合金、ＦｅＰ系合金、ＦｅＮｂ系合金、ＦｅＨｆ系合金、ＦｅＢ系合金、ＭｎＺｎ系合金等を、単独であるいは二種以上を組み合わせて用いることができる。また、Ｃｏを８０ａｔ％以上含有し、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ等のうち少なくとも１種を含有し、アモルファス構造を有するＣｏ合金を用いることができる。
【００４０】
また、第二の記録媒体層１０２は、上記硬質磁性材料と軟磁性材料の積層膜、あるいは傾斜組成膜であってもよい。さらに、第二の記録媒体層１０２は、いわゆるＥＣＣ（Ｅｘｃｈａｎｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）方式の垂直磁気記録媒体に用いられる記録層であってもよい。
【００４１】
第二の記録媒体層１０２の全体は１０〜１００ｎｍ程度の厚みであってよい。
【００４２】
記録媒体１には、さらに従来の記録媒体に使用されていた表面保護層や、表面潤滑層を用いることができる。表面保護層は第二の記録媒体層１０２の腐食を防ぐとともに、記録ヘッド７が記録媒体１に接触したときに記録媒体１表面の損傷を防ぐためのもので、従来公知の材料を使用でき、例えばダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）等の炭素系硬質材料、アモルファスＳｉ、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２を含むもの等を適宜使用可能である。表面保護層の厚さは、１〜１０ｎｍとするのが記録ヘッド７と記録媒体１との距離を小さくできるため高記録密度の点から望ましい。表面潤滑層は、パーフルオロポリエーテル、フッ素化アルコール、フッ素化カルボン酸などの潤滑剤を平均厚み１〜５ｎｍ塗布して形成することができる。
【００４３】
第一の電極３１、第一の記録媒体層１０１、及び、第二の記録媒体層１０２は、例えば、スパッタリング法、パルス・レーザ堆積法（ＰＬＤ）、イオンビーム堆積法（ＩＢＤ）、又は、化学気相堆積法（ＣＶＤ）等任意の物理的又は化学的堆積プロセスから適宜選択した方法で形成することができる。
【００４４】
上記のような構造を有する記録媒体１は、磁気記録デバイス２００において、以下のような効果を奏する。すなわち、反強磁性金属電極３１上に第一の記録媒体層１０１が設けられていることにより、使用時等に、反強磁性金属電極３１へ過剰な熱負荷がかかった場合にも、熱伝導性の高い金属材料を介して熱が拡散され、第一の記録媒体層１０１における温度上昇を効率よく抑制することができる。また、反強磁性金属のスピンが、第一の記録媒体層１０１に主として含まれる、反強磁性体、フェリ磁性体、又はこれらの組み合わせのスピンを保持するように作用するためか、第一の記録媒体層１０１の熱的安定性を向上させることができる。
【００４５】
第一の電極３１に主として含まれる反強磁性金属は、自然発生的に金属原子と酸素原子・硫黄原子とが化合した部分を含んでいたとしても、大部分が、反強磁性金属を構成する金属原子同士が結合する部分である。そのため、酸化物や硫化物等のように、大部分において、金属原子と、酸素原子・硫黄原子とが化合するような、異種原子同士の化合によって構成された化合物に比べ、欠陥が生じ難いと推察される。そのため、第一の記録媒体層１０１において絶縁性能の低下した領域が存在しても、反強磁性金属電極３１によって、絶縁破壊に至る電流パスの生成を効果的に防ぐことができる。さらに、理由はまだ明らかではないが、導電率が低いことや、膜に微小な欠陥を生じにくいことが起因するためか、反強磁性金属を主として含む第一の電極３１は、通常用いられるＣｕ電極やＮｉ電極等と比較して、繰り返し記録に対する信頼性をも向上させることができる。
【００４６】
本実施形態に係る磁気記録デバイス２００によれば、上記構造を有する記録媒体１を備えることにより、ＭＥ効果を応用した磁気記録において、繰り返し記録に対する信頼性と熱的安定性とを両立し、特に熱的安定性を向上させることができる。
【００４７】
ここで、反強磁性金属電極３１に主として含まれる反強磁性金属のネール温度が、第一の記録媒体層１０１に主として含まれる反強磁性体、フェリ磁性体、又はこれらの組み合わせのネール温度以上であることが好ましい。
【００４８】
反強磁性金属電極３１に主として含まれる反強磁性金属のネール温度が、第一の記録媒体層１０１に主として含まれる反強磁性体、フェリ磁性体、又はこれらの組み合わせのネール温度以上であることにより、反強磁性金属のスピンが第一の記録媒体層１０１に発生しているスピンをより安定的に保持できるためか、使用時等に過剰な熱負荷がかかった場合にも、第一の記録媒体層１０１の熱的安定性をより向上させることが可能になる。
【００４９】
反強磁性金属電極３１に主として含まれる反強磁性金属のネール温度は、ＭｎＴｅが３０７Ｋ、ＭｎＰｄが７８０Ｋ、ＡｕＭｎが８２５Ｋ、ＭｎＰｔが７８０Ｋであり、第一の記録媒体層１０１に主として含まれる反強磁性体及びフェリ磁性体のネール温度は、Ｃｒ２Ｏ３が３０７Ｋ、ＢｉＦｅＯ３が６５０Ｋ、Ａｌ０．６Ｇａ０．２Ｆｅ１．２Ｏ３が３２５Ｋである。反強磁性金属電極３１に主として含まれる反強磁性金属のネール温度が、第一の記録媒体層１０１に主として含まれる反強磁性体、フェリ磁性体、又はこれらの組み合わせのネール温度以上となるように、反強磁性金属と、反強磁性体、フェリ磁性体又はこれらの組み合わせとを、選択して用いればよい。
【００５０】
［記録装置］
ａ．磁界印加装置
磁界印加装置２は、通常、磁気ヘッド７の一部として設けられ、ビット長にかかわる要件から設計される高周波磁界を供給する記録用磁界発生部２２を有する。
【００５１】
記録用磁界発生部２２から発生する磁界の周波数は、例えば、従来の垂直磁気記録方式で用いられる記録磁界と同程度とすることができ、例えば、数ＭＨｚ〜２ＧＨｚである。
【００５２】
ｂ．電界印加装置
電界印加装置３は第二の電極３２と電極保持部３４とを備える。電界印加装置３から発生する電界を記録媒体１に印加するためには、電界印加装置３の第二の電極３２の対極となる電極が必要であるため、第一の電極３１と第二の電極３２との間に、第一の記録媒体層１０１と第二の記録媒体層１０２が配置されるように記録媒体１は配置される。
【００５３】
第一の電極３１と第二の電極３２は電源３３に接続される。このとき第一の電極３１は電源３３に接続されるだけでもよいが、同時に接地電位に接続されていることが望ましい。
【００５４】
磁界印加装置２及び電界印加装置３の少なくとも一方は、記録媒体１の表面（第二の記録媒体層１０２側の表面）における任意の場所に移動可能な機能が付加されている。また、磁界印加装置２及び電界印加装置３の少なくとも一方には、磁界又は電界の印加方向を制御する機能が付加されている。ＭＥ効果を利用できる限りにおいて、磁界と電界は、お互いに対して多少の傾きを有して印加されていてもよい。磁界印加装置２、電界印加装置３は、使用又は未使用時に関わらず、記録媒体１の表面と物理的に接触しないように保持される。
【００５５】
（再生装置）
記録情報を利用するための再生装置については、記録情報を再生する機能を有していれば、通常用いられる磁気ヘッド７に搭載されたものでもよく、これまで知られている技術を利用して磁気ヘッド７とは区別して、再生用の装置として設けられてもよい。
【００５６】
＜磁気記録動作＞
図１に示すように、電界印加装置３によって第一の電極３１と第二の電極３２との間に加えられた電界は、電気伝導性を有する第二の記録媒体層１０２の存在によって、第二の電極３２と第二の記録媒体層１０２に挟まれたギャップ部分にかかる電界３５と、第一の電極３１と第二の記録媒体層１０２に挟まれた第一の記録媒体層１０１にかかる電界３６とに分割される。
【００５７】
このとき電界３６は第一の記録媒体層１０１の広い範囲に拡散して印加される（電界の方向は図１に模式的に示した方向ａかｂのいずれかになる）が、空間的に限定された印加磁界２５と組み合わせることで、電界と磁界とが重なって印加される領域４５を狭く限定することが可能である。重畳領域４５に存在する第一の記録媒体層１０１は、所定の電界と磁界が付与されることでＭＥ効果により反強磁性体又はフェリ磁性体のスピン配列状態の方向が決定される。
【００５８】
図１では、Ａ〜Ｇまであるセルの中で左から３番目だけ（セルＣ）のスピンの配列方向だけが電界と磁界の印加によって反転した状態を示している。しかし、この第一の記録媒体層１０１は、反強磁性体、フェリ磁性体、又はこれらの組み合わせを主として含み、全体として二つのスピンの方向が打ち消しあうために外部からその磁化状態を読み出すことは困難である。
【００５９】
そこで、第一の記録媒体層１０１と交換結合可能な、強磁性体を主として含む第二の記録媒体層１０２を、第一の記録媒体層１０１と隣接させて配置し、第一の記録媒体層１０１における第二の記録媒体層１０２に隣接するスピンの情報を第二の記録媒体層１０２に転写させることにより、外部から第二の記録媒体層１０２の磁化状態を読み出すことが可能となる。
【００６０】
具体的には、図１のように、セルＣを除きセルＡ〜Ｇの範囲内にある第二の記録媒体層１０２は、すべて上向きの磁化方向を示すが、セルＣだけは、第一の記録媒体層１０１における第二の記録媒体層１０２に隣接するスピンの状態に対応して下向きとなっている。
【００６１】
これにより、磁気情報を再生するに当たっては、第二の記録媒体層１０２の磁化方向を判別することによって、第一の記録媒体層１０１に記録された磁化情報を読み出すことが可能となる。
【００６２】
なお、第一の記録媒体層１０１と第二の記録媒体層１０２の間の交換結合が維持される限りにおいて、その間に別の層を設けることは可能である。
【００６３】
本実施形態に係る磁気記録デバイス２００によれば、印加する電界と磁界の関係が、概平行か、概反平行か、を操作することによって、記録される磁化の方向を制御できる。このとき、重畳領域のみ磁化の反転が生ずる。
【００６４】
この現象は、第二の記録媒体層１０２に主として含まれる強磁性体の結晶粒子の大きさや粒界の存在とは無関係に発生するため、一つの結晶粒子内の一部分と他の部分とにおいて異なる磁化の方向を実現させることも可能である。重畳領域の大きさや幅は、第一の記録媒体層１０１が磁化変化を記録できる限りにおいて自由に設定可能であるが、記録密度を高める観点からは、できるだけ微細にすることが望ましい。
【００６５】
記録媒体１において、重畳領域４５の一方の幅（図１の紙面奥行き方向への幅）は、記録媒体１のトラック幅ＴＷの方向であり、また重畳領域４５のもう一方の幅は、ビット長ＢＬの方向である。トラック幅ＴＷと、ビット長ＢＬのサイズは特に限定されないが、高密度記録の観点から、第一の記録媒体層１０１として後述する材料を用いた場合には、トラック幅ＴＷ及びビット長ＢＬは、それぞれ１ｎｍ〜２００ｎｍであることが好ましい。なお、重畳領域４５の大きさは幅ではなく面積で特定することも可能であり、本実施形態としては、１（ｎｍ）２〜４００００（ｎｍ）２の範囲で実施可能である。
【００６６】
効率よくＭＥ記録、再生を行なう観点から、記録媒体１と対向して設けられた磁界印加装置２は、磁気ヘッド７の先端から記録媒体１における記録動作側の最表面との間のスペーシングとして、１ｎｍ〜３０ｎｍとなるように配置されることが望ましい。
【００６７】
本発明に係る磁気記録デバイスは、ハードディスクドライブとして知られている形態で好適に使用できるが、本技術思想を半導体記録デバイスにも使用することができる。本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明と同一および均等の範囲内において、上記実施形態に対して種々の変更を加えることが可能である。
【００６８】
実施例
以下、本発明を具体的な実施例をもとに説明する。
【００６９】
図１、２に示す記録媒体１を模したサンプルを作製した。以下に、その詳細を説明する。
基板４０は直径１インチの単結晶基板である。第一の電極３１は、実施例においては、ＭｎＰｔ膜、ＡｕＭｎ膜、ＭｎＰｄ膜、又は、ＭｎＴｅ膜であり、比較例においては、Ｎｉ膜、Ｃｕ膜、又は、ＦｅＣｒ膜である。第一の記録媒体層１０１は、Ｃｒ２Ｏ３、ＢｉＦｅＯ３からなるＭＥ効果を有する酸化物反強磁性体層、又は、Ａｌ０．６Ｇａ０．２Ｆｅ１．２Ｏ３からなるＭＥ効果を有する酸化物フェリ磁性体層である。第二の記録媒体層１０２は、ＣｏＰｔ系合金からなる金属強磁性体層である。
【００７０】
ａ．第一の電極の形成
ａ−１．反強磁性金属電極
ステップ出しを行なった単結晶基板（平均表面粗さ１ｎｍ）の表面に、ＤＣスパッタリング法により、第一の電極３１として、ＭｎＰｔ膜、ＡｕＭｎ膜、ＭｎＰｄ膜、又は、ＭｎＴｅ膜を形成した。材料の種類に応じて、プラズマ電力、Ａｒ圧力、基板温度の最適化を行い、反強磁性金属電極の導電率を１×１０３〜１×１０４Ω−１・ｃｍ−１に制御した。
ａ−２．金属電極
ステップ出しを行なった単結晶基板（平均表面粗さ１ｎｍ）の表面に、高周波スパッタリング法により、Ｎｉ膜、Ｃｕ膜、又は、ＦｅＣｒ膜を形成した。
【００７１】
ｂ．第一の記録媒体層の形成
次に、第一の電極３１の表面に、第一の記録媒体層１０１として、Ｃｒ２Ｏ３層、ＢｉＦｅＯ３層、又は、Ａｌ０．６Ｇａ０．２Ｆｅ１．２Ｏ３層を形成した。Ｃｒ２Ｏ３層は、Ｃｒ金属をターゲットとした反応性ＲＦスパッタリング法を用い、６００℃、０．３Ｐａ、アルゴン・酸素雰囲気中（Ａｒ：Ｏ２流量比＝９．０：０．９）にて、１３．５６ＭＨｚの高周波プラズマをパワー１２０Ｗとして、厚さが３００ｎｍとなるように形成した。ＢｉＦｅＯ３層、Ｇａ０．５Ａｌ０．５ＦｅＯ３層についても、類似の条件にてそれぞれ形成した。
【００７２】
ｃ．第二の記録媒体層の形成
次に、第一の記録媒体層１０１の表面に、第二の記録媒体層１０２として、ＣｏＰｔ系合金層（Ｃｏ含有率７５ａｔ％）を形成した。室温、アルゴン雰囲気中にて、イオンビーム堆積（ＩＢＤ）法を用い、第二の記録媒体層１０２の保磁力が５０００（Ｏｅ）、厚さが６０ｎｍとなるように、基板加熱温度、及び、デポジションレートの条件の組み合わせを調整した。さらに、第二の記録媒体層１０２の上に、表面保護層及び表面潤滑層を形成し、これを測定サンプルとした。
【００７３】
（実施例１）
上記ａ−１、ｂ〜ｃ工程を経て、測定サンプルを作製した。なお、反強磁性金属電極３１として厚さ４００ｎｍのＭｎＰｔ膜、第一の記録媒体層１０１としてＣｒ２Ｏ３を用いた。
【００７４】
（実施例２）
反強磁性金属電極３１の厚さを６００ｎｍとした以外は実施例１と同様にして、測定サンプルを作製した。
【００７５】
（実施例３）
反強磁性金属電極３１としてＡｕＭｎ膜を用いた以外は実施例１と同様にして、測定サンプルを作製した。
【００７６】
（実施例４）
反強磁性金属電極３１の厚さを６００ｎｍとした以外は実施例３と同様にして、測定サンプルを作製した。
【００７７】
（実施例５）
反強磁性金属電極３１としてＭｎＰｄ膜を用いた以外は実施例１と同様にして、測定サンプルを作製した。
【００７８】
（実施例６）
反強磁性金属電極３１としてＭｎＴｅ膜を用いた以外は実施例１と同様にして、測定サンプルを作製した。
【００７９】
（実施例７）
第一の記録媒体層１０１としてＢｉＦｅＯ３を用いた以外は実施例１と同様にして、測定サンプルを作製した。
【００８０】
（実施例８）
第一の記録媒体層１０１としてＢｉＦｅＯ３を用いた以外は実施例３と同様にして、測定サンプルを作製した。
【００８１】
（実施例９）
第一の記録媒体層１０１としてＢｉＦｅＯ３を用いた以外は実施例５と同様にして、測定サンプルを作製した。
【００８２】
（実施例１０）
第一の記録媒体層１０１としてＡｌ０．６Ｇａ０．２Ｆｅ１．２Ｏ３を用いた以外は実施例１と同様にして、測定サンプルを作製した。
【００８３】
（実施例１１）
第一の記録媒体層１０１としてＡｌ０．６Ｇａ０．２Ｆｅ１．２Ｏ３を用いた以外は実施例３と同様にして、測定サンプルを作製した。
【００８４】
（実施例１２）
第一の記録媒体層１０１としてＡｌ０．６Ｇａ０．２Ｆｅ１．２Ｏ３を用いた以外は実施例５と同様にして、測定サンプルを作製した。
【００８５】
（実施例１３）
第一の記録媒体層１０１としてＡｌ０．６Ｇａ０．２Ｆｅ１．２Ｏ３を用いた以外は実施例６と同様にして、測定サンプルを作製した。
【００８６】
（比較例１）
上記ａ−２、ｂ〜ｃ工程を経て、測定サンプルを作製した。なお、第一の記録媒体層１０１としてＣｒ２Ｏ３を用い、第一の電極３１として、厚さ４００ｎｍのＮｉ膜を用いた。
【００８７】
（比較例２）
上記ａ−２、ｂ〜ｃ工程を経て、測定サンプルを作製した。なお、第一の記録媒体層１０１としてＢｉＦｅＯ３を用い、第一の電極３１として、厚さ４００ｎｍのＣｕ膜を用いた。
【００８８】
（比較例３）
上記ａ−２、ｂ〜ｃ工程を経て、測定サンプルを作製した。なお、第一の記録媒体層１０１としてＡｌ０．６Ｇａ０．２Ｆｅ１．２Ｏ３を用い、第一の電極３１として、厚さ４００ｎｍのＦｅＣｒ膜を用いた。
【００８９】
実施例１〜１３、及び、比較例１〜３の第一の記録媒体層１０１を構成する材料と層の厚み、並びに、反強磁性金属電極３１を構成する材料と層の厚みを表１に示す。
【００９０】
【表１】
2016157503.tif 000003
【００９１】
＜ビットエラー率（初期値）の測定＞
実施例１〜１３、及び、比較例１〜３の記録媒体の表面上にエアーギャップを挟んで、電界印加装置３、及び、磁界印加装置２（磁気ヘッド７）を設置した。ハードディスクスピンスタンドを改造して、実施例１〜１３、及び、比較例１〜３の記録媒体を用い、１インチディスクにおける記録再生を１回行った。
任意に選んだ５トラックにおいて、トラック幅９０ｎｍ、ビット長８ｎｍにて記録し、再生時のビットエラーを測定した。下記式（１）に基づいてビットエラー率を算出し、５トラックの最大値をビットエラー率の初期値とした。評価環境は２０℃であった。結果を表２に示す。
ビットエラー率＝１トラックのエラービット数／１トラックの総ビット数…（１）
【００９２】
＜高温保存後のビットエラー率の測定＞
２０℃にて記録を１回行った後、１６０℃にて５００時間保存、又は、１６０℃にて１０００時間保存した後の再生時のビットエラー率を測定した。測定は、初期値の測定と同様にして行った。結果を表２に示す。
【００９３】
＜ビットエラー率が初期値の１０倍になる記録再生回数＞
実施例１〜１３、及び、比較例１〜３の記録媒体を用い、ビットエラー率が初期値の１０倍になる記録再生回数を測定した。評価環境は２０℃であり、５トラックの平均値を評価結果として用いた。結果を表２に示す。
【００９４】
【表２】
2016157503.tif 000004
【００９５】
実施例１〜１３と比較例１〜３とを対比すると、実施例のビットエラー率の初期値は、比較例のそれに対して１／５〜４／５程度にすぎないものの、繰り返し使用においては、ビットエラーの発生を効果的に抑制することができ、繰り返し記録再生における信頼性が向上した。実施例１〜１３の反強磁性金属は、理由は明らかではないが、比較例１〜３の金属に比べ、導電率が低いことや、膜に微小な欠陥を生じにくいことが起因するため、繰り返し使用によってビットエラーが発生し難いものと推察される。
【００９６】
高温保存後における実施例のビットエラー率について、対初期値として、１６０℃、５００時間の保存後においては、実施例１３以外はほぼ一桁前後の増加、最大でも実施例１３の二桁未満の増加である。１６０℃、１０００時間の保存後においては、実施例１３以外は二桁前後の増加で、最大でも実施例６の三桁未満の増加である。これに対して比較例のビットエラー率は、１６０℃、５００時間の保存後においては、二桁〜三桁増加し、１６０℃、１０００時間の保存後においては、三桁〜四桁増加した。この違いは、反強磁性金属のスピンが第一の記録媒体層１０１における反強磁性体又はフェリ磁性体のスピンを保持するように作用し、かつ、反強磁性金属に熱が拡散されたため、第一の記録媒体層１０１の熱的安定性を向上させたものと推察される。
【００９７】
また、反強磁性金属のネール温度が、反強磁性体又はフェリ磁性体のネール温度以上である実施例１〜１２は、反強磁性金属のスピンが第一の記録媒体層１０１に発生しているスピンをより安定的に保持できるためか、実施例１３に比べて、第一の記録媒体層１０１の熱的安定性をより向上させることが可能になったと考えられる。
【００９８】
以上、実施例に基づいて本発明を説明したが、特許請求の範囲に記載した発明の範囲から逸脱することなく、これまで説明した例に対して種々の変更を行なうことが可能である。
【符号の説明】
【００９９】
１…記録媒体、２…磁界印加装置、３…電界印加装置、７…磁気ヘッド、２２…記録用磁界発生部、２５…磁界、３１…反強磁性金属電極（第一の電極）、３２…第二の電極、３３…電源、３４…電極保持部、３５、３６…電界、４０…基板、４５…重畳領域、１０１…第一の記録媒体層、１０２…第二の記録媒体層、２００…磁気記録デバイス。
【図１】
2016157503.tif 000005
【図２】
2016157503.tif 000006