(57)【要約】  本発明は、磁性材料を含むデータ記憶媒体と、隣接する前記記憶媒体の前記磁性材料の選択された部分に衝突し、前記磁性材料の選択された部分の着磁方向に影響を与える磁場を発生させる電磁素子を含む書き込みヘッドとを有する、電磁データ記憶装置に関する。前記電磁素子は、マトリックス材料と、該マトリックス材料中に保持された複数の磁性ナノ粒子を含む磁気構造体を有する。
2017501525.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性材料を含むデータ記憶媒体を備えた電磁データ記憶装置用の書き込みヘッド装置であって、
隣接する前記データ記憶媒体の前記磁性材料の選択された部分に衝突し、前記磁性材料の選択された部分の着磁方向に影響を与える磁場を発生させる書き込みヘッドを有し、
該書き込みヘッドは、
マトリックス材料および該マトリックス材料の中に保持された複数の磁性ナノ粒子を含む磁気構造体と、
前記磁気構造体中において磁場を生起させる活性化素子と、
を備え、
それぞれの磁性ナノ粒子は、前記マトリックス材料と離間させるシェル層により、全体もしくはかなりの範囲が被覆されているコアを備え、
前記マトリックス材料と前記コアの少なくとも一方が強磁性材料からなり、
前記シェル層は、前記コアとは異なる材料からなり、および、
前記ナノ粒子の前記シェル層は、隣接するナノ粒子のコア間の接触を実質的に防止する、
書き込みヘッド装置。
【請求項２】
前記磁性ナノ粒子のそれぞれは、単一の元素、２以上の元素の合金、あるいは、これらの組み合わせにより構成される、請求項１に記載の書き込みヘッド装置。
【請求項３】
前記磁性ナノ粒子のそれぞれの前記コアは、単一の元素、２以上の元素の合金、あるいは、これらの組み合わせにより構成される、請求項１または２に記載の書き込みヘッド装置。
【請求項４】
前記磁性ナノ粒子の前記コアは、強磁性材料により構成される、請求項１〜３のいずれかに記載の書き込みヘッド装置。
【請求項５】
前記強磁性材料は、強磁性遷移金属、強磁性遷移金属の合金、あるいは、これらの組み合わせにより構成される、請求項４に記載の書き込みヘッド装置。
【請求項６】
前記マトリックス材料は、前記シェル層と同一の材料により構成される、請求項１〜５のいずれかに記載の書き込みヘッド装置。
【請求項７】
前記磁性ナノ粒子のそれぞれの前記シェル層は、非磁性材料、遷移金属、遷移金属の合金、あるいは、これらの組み合わせを含む、請求項１〜５のいずれかに記載の書き込みヘッド装置。
【請求項８】
前記磁性ナノ粒子のそれぞれの前記シェル層は、非磁性材料、希土類金属、希土類金属の合金、あるいは、これらの組み合わせを含む、請求項１〜５のいずれかに記載の書き込みヘッド装置。
【請求項９】
前記磁性ナノ粒子のそれぞれの前記シェル層は、非磁性材料、遷移金属、希土類金属、希土類金属の合金、あるいは、これらの組合せを含む、請求項１〜５のいずれかに記載の書き込みヘッド装置。
【請求項１０】
前記マトリックス材料は、非磁性材料、遷移金属、遷移金属の合金、希土類金属、希土類金属の合金、あるいは、これらの組合せを含む、請求項１〜９のいずれかに記載の書き込みヘッド装置。
【請求項１１】
前記非磁性材料が水からなる、請求項１０に記載の書き込みヘッド装置。
【請求項１２】
前記マトリックス材料および／または前記磁性ナノ粒子の材料に、埋め込まれたガス分子あるいはガス原子が含まれる、請求項１〜１１のいずれかに記載の書き込みヘッド装置。
【請求項１３】
磁性材料を含むデータ記憶媒体、および、請求項１〜１２のいずれかに記載の書き込みヘッド装置を備える、電磁データ記憶装置。
【請求項１４】
前記データ記憶媒体が、前記磁性材料を保持する回転ディスクにより構成され、かつ、前記書き込みヘッドが、該書き込みヘッドを前記回転ディスクに対して相対移動可能とするアクチュエータに備えられている、ハードディスクドライブ装置からなる、請求項１３に記載の電磁データ記憶装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハードディスクドライブ装置などの電磁データ記憶装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電磁データ記憶装置は、周知であるが、大量の電子データを保存するために便利かつ信頼性の高い手段である。最も一般的なタイプの電磁データ記憶装置は、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）装置である。図１に、ＨＤＤ１の一例を概略的に示す。ＨＤＤ１は、データを記憶するための磁性材料を保持するスピニングディスク２と、前記磁性材料の選択された部分の着磁方向に影響を与えるための書き込みヘッド４と、ディスク２中の前記磁性材料の複数部分の前記着磁方向を検知するための読み出しヘッド４とを備える。書き込みおよび読み出しヘッド４は、通常、ヘッド４をディスク２の表面を横切って移動させるための単一のアクチュエータ装置５上に配置される。ヘッド４は、ディスク２の表面と接触することはなく、ディスク２の回転に伴って、ディスク２とともに移動する空気によって生ずる小さな空隙の分だけディスク２の表面から離れている。ハードディスクドライブ装置の構成および操作については、周知であるから、簡略化のためにここでは詳細な説明を省略する。
【０００３】
ハードディスクドライブ装置に対しては、ますます高い記憶密度を有することが継続的に要求されている。このような要求は、より小さい装置で、データ集中マルチメディアや映像アプリケーションを使用したいという欲求の高まりなどに伴って、加速化している。
【０００４】
非揮発性電子蓄積をベースとする、可動部品を伴わない他の大容量記憶システム、主としてフラッシュメモリが、入手可能ではあるが、ＨＤＤもコンピュータや他の装置上の二次記憶用の主たる媒体であり続けている。１つの理由としては、読み出し／書き込みのサイクルの数に対してＨＤＤストレージが高い耐久性を有していることがある。ディスクが損傷しない限り、データの書き出し、消去、再書き出しを、何度も何度も限りなく行うことが可能である。他のすべての技術では、信頼性のあるデータ保存を保証するためには、読み出し／書き込みサイクルの数は有限である。装置の中に回転するディスクを有するという点で、特別な機械的複雑さを有するにもかかわらず、記録密度と記録速度の向上が図られているため、ＨＤＤは、今後も数年間は最も有力な技術であり続けると考えられる。
【０００５】
磁気データ記憶媒体におけるデータ記録に関する最も根本的な限界は、いわゆる超常磁性限界と呼ばれるものである。通常は１０ｎｍ程度である臨界寸法を下回る磁性材料の個々の粒子は、室温では永久磁化を保持しない。この臨界寸法を下回るナノ粒子は、超常磁性体と呼ばれ、室温では永久磁化されることがない。この臨界寸法は、ナノ粒子の磁気異方性に依存し、異方性が増加するほど小さくなる。ＨＤＤにデータを蓄積する磁性膜は、ナノスケールの粒子により構成され、単一のデータビットは、通常１００個のナノ粒子を包含する領域に書き込まれる。図２に、高密度ＨＤＤの磁気媒体に書き込まれた単一の「１」ビットを示すが、これは磁化反転により構成される。図２の左側の部分は、原子間力顕微鏡によって測定した磁化パターンの測定結果を示しており、前記「１」が強調されているが、約１００ｎｍ×１００ｎｍの領域を占めている。図２の右側の部分は、このデータを蓄積しているフィルムを示しているが、このフィルムは約１０ｎｍ〜２０ｎｍの大きさのナノ粒子により構成されている。
【０００６】
前記密度をさらに増加させるためには、これらのビットを記録する領域のサイズを小さくする必要があるが、この点で行き詰まってしまうのである。考えられる解決策は次の通りである。
−  より小さい領域を磁化する。単一ビット内の粒子数を減少させることは、リードバックノイズを増加させることになるため、この対応は、不可能である。すでに、この領域は、許容できる信号対ノイズ比を達成できる最小数の粒子によって構成されている。
−  より小さなナノ粒子を用いて、領域のサイズを小さくする。この対応は、粒子が超常磁性を示すため、不可能である。
−  より高異方性のより小さなナノ粒子を用いる。この対応は、媒体を磁化するために、より高い書き込みフィールドが必要とされるため、不可能である。すでに、書き込みヘッドを媒体に可能な限り接近させて（１２ｎｍ）動かし、かつ、入手可能な最も磁性を帯びた材料（ＦｅＣｏ合金）が書き込みヘッドの先端にコートされている。
【０００７】
したがって、本発明の発明者は、磁気記憶材料への書き込みに使用される磁場を増加させることができれば、記憶密度を高めることができるとの結論にすでに達している。
【０００８】
現代の科学技術において、磁性材料は広範囲に使用されており、ほとんどすべての電動機械装置において用いられている。磁性材料の性能は、保磁力やエネルギー積などの二次パラメータの点では、前世紀の間にすでに飛躍的な改善が図られている。しかしながら、最も基本的な特性、すなわち、生成される磁場の強さを決定する飽和磁化については、ほとんど改良がなされていない。電動機械装置に用いられる最も磁性を帯びた材料、たとえばＦｅ６０Ｃｏ４０合金は、１９２０年代より入手可能となっているが、現在までより高い着磁性を備えた材料は発見されていない。
【０００９】
飽和磁化の最も直接的な尺度は、ボーア磁子（μＢ）によって規定される原子当たりの磁化モーメントである。純Ｆｅの原子当たりの磁化モーメントが２．２２μＢであるのに対して、Ｆｅ６０Ｃｏ４０合金の原子当たりの磁化モーメントは、２．４５μＢである。後者の２．４５μＢという値は、スレーター・ポーリング限界と呼ばれ、遷移金属合金から得られる最大の着磁性であると考えられていた。概して、電動機械装置の効率は、磁性材料の着磁の強さの二乗に比例して改善される。したがって、着磁の強さをたとえ少しでも向上させることは、特に電気自動車や風力タービンなどのグリーンテクノロジーの分野において有益である。
【００１０】
１９９０年初頭に、０．５ｎｍ〜５ｎｍの範囲の粒径のナノ粒子の生成を可能とする、気相法によるナノ粒子源が開発されたことにより、粒径が約５ｎｍ以下のＦｅ、Ｃｏ、およびＮｉのナノ粒子の原子当たりの磁化モーメントが、同じ材料から形成されたバルク構造のものと比べて著しく高いことが発見された。この観点から、ＦｅとＣｏのうちの一方のナノ粒子が、ＦｅとＣｏのうちの他方のマトリックス中に埋め込まれた磁性構造体が開発されたが、この磁性構造体は、Ｆｅ６０Ｃｏ４０合金を超える着磁性を有しており、これによりスレーター・ポーリング限界が初めて打ち破られたのである。図３は、このような磁性構造体の１つの形成を示している。図３に示すように、磁性構造体１０は、クラスタ源１６からのＦｅナノ粒子１４と分子線エピタキシー（ＭＢＥ）源２０からのＣｏマトリックス材料１８との基板１２上への共蒸着によって、形成される。Ｆｅナノ粒子とＣｏマトリックス材料の共蒸着により、Ｆｅナノ粒子がＣｏマトリックス中に分散し埋め込まれた構造体が得られる。代替的方法によれば、磁性構造体は、クラスタ源からのＣｏナノ粒子とＭＢＥ源からのＦｅマトリックス材料との共蒸着によって、Ｃｏナノ粒子がＦｅマトリックス中に分散し埋め込まれた構造体が形成される。
【００１１】
図４に、Ｃｏマトリックス中にＦｅナノ粒子を有する構造体とＦｅマトリックス中にＣｏナノ粒子を有する構造体のそれぞれの原子当たりの磁化モーメントの測定結果を、Ｆｅ体積分率の関数として示す。図４には、Ｆｅ６０Ｃｏ４０合金のスレーター・ポーリング曲線も、Ｆｅ体積分率の関数として示している。図４から理解されるとおり、最も良好な結果は、Ｆｅマトリックスに埋め込まれたＣｏナノ粒子から得られ、原子当たり約３μＢ
に近い値がもたらされている。Ｆｅ体積分率が低い側でも、Ｃｏマトリックスに埋め込まれたＦｅナノ粒子の原子当たりの磁化モーメントは、スレーター・ポーリング曲線による対応値を超えている。この改善は、材料の基本的な構成要素においてすでに着磁性の向上が見られることと、および、マトリックス自体が磁化モーメントの向上をもたらすナノ構造を有しているためと考えられる。より具体的には、ナノ構造の表面あるいは境界面に、高い比率で（上記構造では５０％近く）、原子がそれぞれ向上したスピンモーメントと軌道モーメントを有する状態で存在する。一方、図４のグラフの左半分から理解されるとおり、Ｆｅ体積分率がパーコレーション閾値である２０％を超えると、着磁性がスレーター・ポーリング曲線を下回る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
したがって、電磁データ記憶装置における仕様に適した、改善された磁気特性を備えた材料をもたらすことができる方法を提供することが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の第一の態様によれば、磁性材料を含むデータ記憶媒体と、隣接する前記データ記憶媒体の前記磁性材料の選択された部分に衝突し、前記磁性材料の選択された部分の着磁方向に影響を与える磁場を発生させる電磁素子を含む書き込みヘッドとを有し、該書き込みヘッドの前記電磁素子は、マトリックス材料および該マトリックス材料中に保持された複数の磁性ナノ粒子を含む磁気構造体と、前記磁気構造体中において磁場を生起させる活性化素子とからなる、電磁データ記憶装置が提供される。
【００１４】
このような電磁データ記憶装置としては、ハードディスクドライブ装置をあげることができるが、この場合、前記データ記憶媒体は、前記磁性材料を保持する回転ディスクからなり、前記書き込みヘッドは、前記回転ディスクに対する相対運動を可能とするアクチュエータに備えられる。
【００１５】
本発明の別の態様によれば、磁性材料を含むデータ記憶媒体と、隣接する前記データ記憶媒体の前記磁性材料の選択された部分に衝突し、前記磁性材料の選択された部分の着磁方向に影響を与える磁場を発生させる書き込みヘッドとを有し、該書き込みヘッドは、マトリックス材料および該マトリックス材料中に保持された複数の磁性ナノ粒子を含む磁気構造体と、前記磁気構造体中において磁場を生起させる活性化素子からなる、電磁データ記憶装置用書き込みヘッド装置が提供される。
【００１６】
本発明のさらに別の態様によれば、磁性材料を含むデータ記憶媒体を備えた電磁データ記憶装置用であって、隣接する前記データ記憶媒体の前記磁性材料の選択された部分に衝突し、前記磁性材料の選択された部分の着磁方向に影響を与える磁場を発生させる書き込みヘッドを有し、該書き込みヘッドは、
マトリックス材料および該マトリックス材料の中に保持された複数の磁性ナノ粒子を含む磁気構造体と、
前記磁気構造体中において磁場を生起させる活性化素子と、
を備え、
それぞれの磁性ナノ粒子は、前記マトリックス材料と離間させるシェル層により、全体もしくはかなりの範囲が被覆されているコアを備え、
前記マトリックス材料と前記コアの少なくとも一方が強磁性材料からなり、
前記シェル層は、前記コアとは異なる材料からなり、および、
前記ナノ粒子の前記シェル層は、隣接するナノ粒子のコア間の接触を実質的に防止する、
書き込みヘッド装置が提供される。
【００１７】
本発明の一実施形態において使用される前記書き込みヘッドを形成する方法においては、マトリックス材料および磁性ナノ粒子を析出させて、前記ナノ粒子が埋め込まれたマトリックスを基板上に形成する。
【００１８】
前記マトリックス材料は、単一の元素、２以上の元素の合金、あるいは、これらの組み合わせにより構成することができる。該単一の元素、合金、あるいは、これらの組み合わせは、埋め込まれたガス原子および／またはガス分子を含むことができる。
【００１９】
前記磁性ナノ粒子は、単一の元素、２以上の元素の合金、あるいは、これらの組み合わせの元素ナノ粒子により構成することができる。該単一の元素、合金、あるいは、これらの組み合わせは、埋め込まれたガス原子および／またはガス分子を含むことができる。該元素ナノ粒子の材料には、鉄（Ｆｅ）およびコバルト（Ｃｏ）が含まれる。
【００２０】
代替的に、前記磁性ナノ粒子は、コア材料からなるコア、および、前記コア材料とは異なるシェル材料からなり、前記コアを被覆するシェル層を有する構造化ナノ粒子により構成することができる。構造化ナノ粒子は、２以上のシェル層を備えることもできる。前記コア材料は、単一の元素、２以上の元素の合金、あるいは、これらの組み合わせにより構成することができる。該単一の元素、合金、あるいは、これらの組み合わせは、埋め込まれたガス原子および／またはガス分子を含むことができる。前記シェル材料は、単一の元素、２以上の元素の合金、あるいは、これらの組み合わせにより構成することができる。該単一の元素、合金、あるいは、これらの組み合わせは、埋め込まれたガス原子および／またはガス分子を含むことができる。
【００２１】
ここで、磁性ナノ粒子あるいはナノ粒子への言及は、上記の元素ナノ粒子あるいは構造化ナノ粒子への言及であると理解される。
【００２２】
製法の一例では、前記マトリックス材料と前記磁性ナノ粒子は、マトリックス材料源およびナノ粒子源をそれぞれ作動させることにより、前記基板上に堆積する。前記マトリックス材料および前記磁性ナノ粒子は、たとえば、前記２つの供給源を同時に作動させることにより、同時に堆積させることができる。前記マトリックス材料源は、適切な製法あるいは装置、たとえば、分子線エピタキシャル成長法などの加熱蒸着、スパッタリング装置、レーザアブレーション装置、あるいは、アーク装置などに供される。前記ナノ粒子源は、適切な製法あるいは装置、たとえば、加熱ガス凝集装置、スパッタリング装置、レーザアブレーション装置、あるいは、アーク装置などに供される。
【００２３】
磁性構造体は、磁性ナノ粒子が前記マトリックス材料の中に分散および埋め込まれるように形成される。典型的には、該磁性構造体は、前記基板上の薄膜として形成される。
【００２４】
構造化ナノ粒子を使用した磁性構造体では、前記コアを該コアの材料とは異なる材料からなるシェル層により少なくとも一部を被覆することにより、前記パーコレーション閾値よりも高いナノ粒子体積分率においてコア同士が接触する可能性が減少する。したがって、磁性ナノ粒子が凝集することが減じられ、シェル層を伴わない磁性ナノ粒子により形成された構造体を超えて着磁性が増加する。
【００２５】
一例では、それぞれの磁性ナノ粒子は、約１０ｎｍを超えない粒径を有する。より小さな粒径を有する磁性ナノ粒子の前記原子当たりの磁化モーメントは、同材料により形成されたバルク構造体よりも著しく高くなる。それぞれの磁性ナノ粒子は、実質的に０．５ｎｍ〜５ｎｍの範囲にある粒径を有することができる。
【００２６】
構造化ナノ粒子の例では、前記シェル層は、約０．２ｎｍ〜４ｎｍの間にある厚さを有することができる。原子層でいうと、前記シェル層の厚さは、１原子層〜１０原子層の間である。前記コアの粒径および前記シェル層の厚さは、互いに独立して特定される。前記コアの粒径および前記シェル層の厚さは、前記構造化ナノ粒子が適用され必要とされる場合に特定することができる。前記シェル層の厚さは、前記コアの粒径に関係づけることができる。たとえば、コアが約５ｎｍの粒径を有する場合には、前記シェル層は、１原子層、すなわち約０．２ｎｍの厚さを有することができる。
【００２７】
前記シェル層は、前記コアの全体あるいはかなりの範囲を被覆することができる。前記シェル層の表面は、前記磁性ナノ粒子の外面を形成することができる。前記マトリックス材料は、前記シェル層と同一の材料とすることができる。たとえば、それぞれの磁性ナノ材料を、Ｃｏ層により少なくとも一部が被覆されたＦｅコアとし、前記マトリックス材料をＣｏとすることができる。さらなる例として、それぞれの磁性ナノ材料を、Ａｕ層により少なくとも一部が被覆されたＣｏコアとし、前記マトリックス材料をＡｕとすることができる。該同一の材料の使用により、パーコレーション閾値よりも高い体積分率においても、前記粒子のコア同士が接触する可能性を減ずることができる。
【００２８】
構造化されたナノ粒子においては、前記コアを強磁性材料により構成することができる。前記コア材料は、単一の元素、２以上の元素の合金、あるいは、これらの組み合わせにより構成することができる。該単一の元素、合金、あるいは、これらの組み合わせは、埋め込まれたガス原子および／またはガス分子を含むことができる。より具体的には、前記強磁性材料として、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどの強磁性遷移金属を用いることができる。
【００２９】
前記マトリックス材料は、単一の元素、２以上の元素の合金、あるいは、これらの組み合わせにより構成することができる。該単一の元素、合金、あるいは、これらの組み合わせは、埋め込まれたガス原子および／またはガス分子を含むことができる。該マトリックス材料としては、金属、より具体的には、遷移金属、希土類金属、あるいは、遷移金属および／または希土類金属を含む合金を用いることができ、該マトリックス材料は、埋め込まれたガス原子および／またはガス分子を含むことができる。
【００３０】
前記コアおよび前記マトリックス材料は、異なる材料により構成することができる。前記マトリックス材料としては、遷移金属を用いることができるが、該遷移金属は強磁性あるいは非磁性のいずれでもよい。前記金属層としては、遷移金属あるいは希土類金属のいずれかを用いることができる。該金属層には、強磁性あるいは非磁性のいずれかの遷移金属、あるいは、遷移金属を含む合金を用いることができ、該金属層は、埋め込まれたガス原子および／またはガス分子を含むことができる。
【００３１】
それぞれの構造化磁性ナノ粒子は、強磁性遷移金属から形成されたコア、および、強磁性あるいは非磁性のいずれかの遷移金属からなるシェル層により構成することができる。前記非磁性の遷移金属としては、金あるいは銀などの第１１族金属が挙げられる。したがって、コアとシェル層の組み合わせとしては、Ｆｅ／Ｃｏ、Ｃｏ／Ｆｅ、Ｆｅ／Ａｇ、Ｃｏ／Ａｇ、Ｆｅ／Ａｕ、あるいはＣｏ／Ａｕを挙げることができる。上述のように、前記シェル層と前記マトリックスには、同一の材料を使用することが有利である。
【００３２】
前記磁性ナノ粒子の堆積には、気相磁性ナノ粒子の真空アシスト蒸着、より具体的には、気相磁性ナノ粒子のビーム蒸着を用いることができる。該方法は、磁性ナノ粒子のビームを発生させて、前記マトリックスの形成と同時に、該マトリックスに衝突させることからなる。前記ビームは、気相源や、ガス凝集源、スパッタ源、あるいはレーザアブレーション源などのクラスタービーム源、あるいはアーク源などの適切な蒸着源により発生させることができる。前記気相源は、シェル層のない粒子コアのビームを生成するのに最も適
切である。
【００３３】
構造化ナノ粒子を用いる場合、下記のように、シェル層をそれぞれのコアに備えることができる。さまざまな気相源を最適のフラックス（出力）レベルで作動させることにより、さまざまなサイズの粒子が生成する。スパッタガス凝集源を最適のフラックスレベルで作動させることにより、通常、粒径が約１０ｎｍの粒子が生成する。加熱ガス凝集源を最適のフラックスレベルで作動させることにより、通常、粒径が約２ｎｍの小さい粒子が生成する。加熱ガス凝集源は、いわゆるハイパーマグと呼ばれる高性能磁性構造体の形成に好適である。
【００３４】
前記マトリックス材料の析出は、気相マトリックス材料の真空アシスト蒸着、より具体的には、マトリックス材料のビーム蒸着により行うことができる。前記マトリックス材料のビームとしては、原子ビーム、分子ビーム、あるいはこれらの混合ビームが挙げられる。前記製法は、マトリックス材料のビームを発生させて、前記基板に衝突させることを含む。前記ビームは、熱源、たとえば、ＭＢＥ源のような加熱蒸散装置、スパッタリング、レーザアブレーション、あるいは、アーク法などにより生成することができる。前記磁性構造体を、適切な材料源からマトリックス材料のビームおよび磁性ナノ粒子のビームにより形成することは、前記磁性構造体の粒度および体積分率を個別に制御できる点でメリットがある。
【００３５】
前記製法は、前記それぞれのナノ粒子のコアにシェル層を析出させる工程、あるいは、それぞれの構造化ナノ粒子に付加的なシェル層を析出させる工程をさらに備えることができる。該シェル層の析出は、シェル材料蒸気の真空アシスト蒸着により行うことができる。したがって、シェル材料蒸気は、ナノ粒子コアの材料源と同一の真空内に設けられる。該シェル材料蒸気は、熱源、たとえば、ＭＢＥ源のような加熱蒸散装置、スパッタリング、レーザアブレーション、あるいは、アーク法などにより生成することができる。ナノ粒子の熱源の温度は、析出されるシェル材料により決定されるが、たとえば、銀の場合には８００℃、鉄の場合には１０００℃である。前記構成で使用されるいかなるガスも、低圧で導入される。
【００３６】
前記シェル層の厚さは、前記シェル材料源の作動条件を変更することにより制御することができる。前記シェル材料源は、前記ナノ粒子コア源と前記基板との間に配置される。さらに、前記シェル材料源は、ナノ粒子コアのビームが通過する空間を形成し、該シェル材料源が該空間にシェル材料の蒸気を形成して、該シェル材料の蒸気がそれぞれのナノ粒子コアの表面に衝突するように構成されることができる。前記シェル材料源は、前記ナノ粒子コアのビームを取り囲むように構成されることもできる。このような構成により、前記シェル材料源は、前記ナノ粒子コアの全表面の優れた被覆を提供することができる。前記シェル材料源は、たとえば、前記ナノ粒子コアのビームが通過するチューブにより構成することができる。前記製法は、磁性ナノ粒子のビームをマトリックス上に析出する以前に加速させる工程を備えることができる。磁性ナノ粒子のビームの加速は、シェル層の析出の後に行うことができる。磁性ナノ粒子のビームの加速は、たとえば電磁技術を用いて前記磁性ナノ粒子のビームと相互に作用するように構成された装置により達成することができる。
【００３７】
それぞれの磁性ナノ粒子は、前記コアの周りに複数のシェル層を備えることができる。該複数のシェル層は、互いに同一の材料から構成されていてもよく、あるいは、互いに異なる材料から構成されていてもよい。この場合、前記製法は、それぞれのシェル層を析出させる工程を備えることができる。それぞれのシェル層の析出は、上述した加熱蒸発装置からの真空アシスト蒸着により行うことができる。代替的に、異なるシェル材料に対して、異なる蒸着技術を用いることもでき、それぞれの装置が備えられる。複数のシェル材料
源を順番に並べて、第１の材料源により第１シェル層を析出させ、第２の材料源により第２シェル層を第１のシェル層の上に析出させることができる。以後のシェル層も、それぞれの材料源により、それより前に析出したシェル層の上に析出させることができる。
【００３８】
重い希土類金属は、遷移金属よりもはるかに高い磁気モーメントを有している。たとえば、Ｄｙ（ジスプロシウム）の磁気モーメントは、原子当たり１０μＢに達する。通常、希土類金属は低いキューリー温度を有する。ほとんどの希土類金属のキューリー温度は、室温を下回る。さらに、このような材料の磁気的硬さは比較的高く、飽和磁化に達するためには非常に高い磁界を必要とする。遷移金属を組み込むことにより、キューリー温度が上がり、前記希土類および遷移金属混合体を、磁気的により柔らかくすることができる。一方、遷移金属は、希土類金属とは逆方向に磁気的に極性化するため、前記希土類および遷移金属混合体の磁気モーメントは、遷移金属の体積分率が増加するにつれて減少することになる。この問題は、上述のコア／シェル層構造を有する構造化磁性ナノ粒子を用いることによって解決される。すなわち、それぞれの磁性ナノ粒子は、反強磁性材料、より具体的には、ＣｒあるいはＭｎなどの反強磁性材料のシェル層により少なくとも一部が被覆された遷移金属のコアにより構成することができる。前記マトリックス材料は、ＤｙあるいはＨｏ（ホルミウム）などの希土類金属により構成することができる。前記コアは、ＦｅあるいはＣｏなどの強磁性遷移金属により構成することができる。前記反強磁性材料の層は、希土類マトリックスと遷移金属コアの磁気モーメントを平行配向させることができる。該反強磁性材料の層の厚さは、１原子層〜１０原子層の範囲とすることができる。さらに、それぞれの磁性ナノ粒子は、前記反強磁性材料による第１のシェル層を少なくとも部分的に被覆する、希土類金属からなる第２のシェル層を備えることができる。第２のシェル層の厚さは、１原子層〜１０原子層の範囲とすることができる。第２のシェル層を設けることにより、前記磁性構造体中における磁性ナノ粒子の凝集を減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】図１は、ハードディスクドライブ装置の概略図である。
【図２】図２は、磁気記録媒体上におけるデータ保存を示す。
【図３】図３は、磁性構造体の形成を示す。
【図４】図４は、Ｃｏマトリックス中のＦｅナノ粒子あるいはＦｅマトリックス中のＣｏナノ粒子を有する磁性構造体のＦｅ体積分率に応じた原子当たりの磁気モーメントのグラフである。
【図５】図５は、磁性構造体を形成するための装置のブロック図である。
【図６】図６は、ナノ粒子のコアを被覆するための装置を示す。
【図７】図７は、Ｆｅコア、第１Ｃｒ層、および第２希土類金属外層を備えたナノ粒子を示す。
【図８】図８は、本発明が適用される電磁データ記憶装置用の書き込みヘッドを概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
本発明の実施形態では、磁場特性が改善された磁気構造体が使用される。このような改善により、記憶媒体において、後述するように、より小さな磁性ナノ粒子を使用して、データ記録容量の向上を図ることが可能となる。
【００４１】
以下の記述において、磁性ナノ粒子について言及する。これらの言及は、単一の元素、２以上の元素の合金、あるいは、これらの組み合わせの元素ナノ粒子に対してなされていると理解されるべきである。該単一の元素、合金、あるいは、これらの組み合わせは、埋め込まれたガス原子および／またはガス分子を含むことができる。該元素ナノ粒子の材料には、鉄（Ｆｅ）およびコバルト（Ｃｏ）が含まれる。
【００４２】
代替的に、前記磁性ナノ粒子は、コア材料からなるコア、および、前記コア材料とは異なるシェル材料からなり、前記コアを被覆するシェル層を有する構造化ナノ粒子により構成することができる。構造化ナノ粒子は、２以上のシェル層を備えることもできる。前記コア材料は、単一の元素、２以上の元素の合金、あるいは、これらの組み合わせにより構成することができる。該単一の元素、合金、あるいは、これらの組み合わせは、埋め込まれたガス原子および／またはガス分子を含むことができる。前記シェル材料は、単一の元素、２以上の元素の合金、あるいは、これらの組み合わせにより構成することができる。該単一の元素、合金、あるいは、これらの組み合わせは、埋め込まれたガス原子および／またはガス分子を含むことができる。
【００４３】
ここで、磁性ナノ粒子あるいはナノ粒子への言及は、上記の元素ナノ粒子あるいは構造化ナノ粒子への言及であると理解される。
【００４４】
改善された磁気構造体の製造方法について記述する。図５は、本発明の実施形態で使用される磁気構造体を形成するための装置３０のブロック図である。装置３０は、マトリックス材料源３２、ナノ粒子源３４、第１シェル材料源３６、および、第２シェル材料源３８を備える。マトリックス材料源３２は、ＭＢＥ装置などの加熱式蒸発装置、スパッタリング装置、レーザアブレーション装置、あるいは、アーク装置により構成される。ナノ粒子源３４は、加熱式蒸発装置、スパッタリング装置、レーザアブレーション装置、あるいは、アーク装置により構成される。第１シェル材料源３６および第２シェル材料源３８は、加熱式蒸発装置、スパッタリング装置、レーザアブレーション装置、あるいは、アーク装置により構成される。
【００４５】
装置３０は、基板４４およびその周囲の温度を制御するための温度制御装置４２をさらに備える。温度制御装置は、液体窒素、その他の適切な技術を用いることができる。ナノ粒子源３４および第１シェル材料源３６と第２シェル材料源３８は、同一の真空内に配置され作動する。
【００４６】
後述の通り、マトリックス材料源３２は、その作動により、マトリックス材料のビームを発生させる。マトリックス材料のビームは、マトリックス材料の内容に応じて、原子ビーム、分子ビーム、あるいは、これらの混合ビームとなる。ナノ粒子源３４は、マトリックス材料源３２と同時に作動して、ナノ粒子のビームを発生させる。２つのビームは、基板４４上に同時に堆積し、堆積したマトリックス材料からなる薄膜マトリックス中に、ナノ粒子が分散され、かつ、埋め込まれた構造の磁性構造体が形成される。本発明が適用された部品を製造するために、基板４４は、電磁データ記憶装置用の電磁書き込みヘッドの一部を形成する部品を構成する。
【００４７】
図５に示した第１シェル材料源３６および第２シェル材料源３８は、析出してシェル層を形成する材料に応じて、同一タイプの材料源により、あるいは、異なるタイプの材料源により構成される。図６は、典型的なシェル材料源５０の概略図を示す。図６に示したシェル材料源５０は、管状ないしは概ね管状であり、ナノ粒子のビームが通過可能な孔を形成する。シェル材料源５０は、加熱式蒸発装置を通過するそれぞれのナノ粒子上に層として析出する、純シェル材料５２のチューブを備える。シェル材料源５０は、純シェル材料５２を隣接して取り囲む、管状ヒータ５４をさらに備える。水冷熱シールド５６が、管状ヒータ５４の外面、管状ヒータ５４の端面、および、純シェル材料５２の端面を覆っている。使用時には、シェル材料源５０は、純シェル材料５２を蒸発させ、蒸発したシェル材料を加熱式蒸発装置の孔内に存在させる。被覆されていないナノ粒子５８のビームがシェル材料源５０の孔の一端から受け入れられ、孔内の蒸発したシェル材料を通過することにより、ナノ粒子５８はシェル材料の層により被覆される。被覆されたナノ粒子６０は、シ
ェル材料源５０の孔の他端から出て行く。
【００４８】
装置３０の一例では、ナノ粒子は、シェル材料により１層のみ被覆され、この場合、図５の装置の第２シェル材料源３８は、備えられないか、あるいは、作動しない。
【００４９】
装置３０の別例では、ナノ粒子は、同一のシェル材料あるいは異なるシェル材料の第１層および第２層により被覆され、この場合、第１シェル材料源３６、５０は、管状の第１シェル材料５２を備え、第２シェル材料源３８、５０は、管状の第１シェル材料あるいは第２の異なる材料５２を備える。
【００５０】
装置３０のさらなる別例では、ナノ粒子は、同一のシェル材料あるいは異なるシェル材料の第３層およびさらなる層により被覆される。したがって、これらの例では、ナノ粒子に析出されるシェル層の数に応じた数のシェル材料源が設けられ、複数のシェル材料源が、ナノ粒子のビームが順番にそれぞれのシェル材料源の孔内を通過できるように、一列に配置される。それぞれのシェル材料源の詳細な形態は、それぞれ析出するシェル材料に応じる。
【００５１】
次に、図５および図６を参照しながら、基板上に磁気構造体を形成する方法について説明する。この例では、ナノ粒子にシェル材料が１層のみ形成されるものとする。上述のように、この例の場合では、図５の第２シェル材料源３８は、備えられないか、あるいは、作動しないこととなる。ナノ粒子材料源３４が、０．５ｎｍ〜５ｎｍの範囲にある粒径のナノ粒子のビームを生成する。ナノ粒子の粒径は、ナノ粒子源３４についての出力レベルやガス圧などの作動条件を制御することにより決定される。ナノ粒子のビームは、第１シェル材料源３６の管状のたとえばＣｏあるいはＡｇからなるシェル材料５２が備えられた孔内を通過する。それぞれのナノ粒子は、１原子層〜１０原子層の範囲にある厚さのシェル材料層により被覆される。第１シェル材料源３６の作動条件は、析出されるシェル材料の種類、および要求されるシェル層の厚さに応じて決定される。たとえば、加熱蒸発装置を用いる場合、シェル材料がＡｇの場合には、その作動温度は８００℃である。
【００５２】
シェル層の厚さを増加させたい場合でも、蒸気圧は温度に対して敏感に反応するため、作動温度をほんのわずかだけ上げるだけでよい。たとえば、Ａｇ層の厚さを倍にするためには、作動温度を約５０℃だけ上げればよい。
【００５３】
この例では、マトリックス材料源３２は、ナノ粒子材料源３４と同時に作動して、たとえばナノ粒子を被覆する材料と同じＣｏあるいはＡｇからなるマトリックス材料のビームを発生させる。マトリックス材料のビームとナノ粒子のビームは同時に基板４４上に堆積して、ナノ粒子が埋め込まれたマトリックスからなる磁気構造体を形成する。コアの周りに形成されたシェル層により、コアが他のコアと接触してしまう可能性が減少する。たとえば、図４に示し、上述した被覆されていないコアとの比較では、０．２ｎｍの単一の原子層からなるＦｅのシェル層で被覆された、粒径５ｎｍのコアでは、Ｆｅで被覆されてないナノ粒子の体積分率が約２０％であるのに対して、凝集を生じさせることなく、コアの体積分率を６６％まで向上させることができる。
【００５４】
基板上に磁気構造体を形成するための製法の第２例について、図５および図６を参照しつつ説明する。第２例では、２層のシェル材料がナノ粒子上に順に析出する。この場合、図５に示した第２シェル材料源３８が作動する。ナノ粒子源３４が作動して、たとえばＣｏからなる、粒径が０．５ｎｍ〜５ｎｍの範囲にあるナノ粒子のビームを発生する。ナノ粒子の粒径は、ナノ粒子源３４の作動条件、たとえば、その出力レベルおよび／またはガス圧を調節することにより決定される。ナノ粒子のビームは、ＣｒまたはＭｎなどの反強磁性材料からなるチューブ５２を備えた第１シェル材料源３６の孔内を通過する。これに
より、それぞれのナノ粒子のコアは、厚さが１原子層〜１０原子層の範囲にある反強磁性材料の層により被覆される。次に、ナノ粒子は、一実施形態では、ＨｏあるいはＤｙなどの希土類金属からなるチューブ５２を備えた第２シェル材料源３８の孔内を通過する。これにより、それぞれのナノ粒子は、厚さが１原子層〜１０原子層の範囲にあるＨｏあるいはＤｙなどの第２の層により被覆される。
【００５５】
典型的な構造化ナノ粒子を図７に概略的に示す。構造化ナノ粒子は、Ｃｒおよび希土類金属（ＨｏあるいはＤｙなど）のそれぞれの層により被覆されたＣｏコアからなる。図７は、被覆されたナノ粒子７０の断面も示すが、ナノ粒子７０は、コア７２を構成するＣｏと、該Ｃｏコア上の層を形成するＣｒと、該Ｃｒ層上の外層を形成するＨｏあるいはＤｙにより構成される。さらに、図７は、Ｃｒ層とＨｏあるいはＤｙの層により被覆された後のナノ粒子７８のビームも示す。マトリックス材料源３２は、ナノ粒子源３４と同時に作動し、Ｃｏナノ粒子７８の外層と同じ材料である、ＨｏあるいはＤｙのマトリックス材料ビームを発生する。マトリックス材料ビームおよびナノ粒子のビームは、基板４４上に同時に堆積し、ナノ粒子が埋め込まれたマトリックスからなる磁気構造体を形成する。
【００５６】
基板上に磁気構造体を形成するための製法の第３例について、図５および図６を参照しつつ説明する。第３例では、単一の材料層のみがナノ粒子上に析出する。この場合、図５の第２シェル材料源３８は、備えられないか作動しない。ナノ粒子源３４は、粒径が０．５ｎｍ〜５ｎｍの範囲にあるナノ粒子のビームを発生する。ナノ粒子は、鉄（Ｆｅ）である。ナノ粒子のビームは、たとえばＡｕあるいはＡｇからなるシェル材料のチューブ５２を備えた第１シェル材料源３６の孔内を通過する。これにより、それぞれのナノ粒子は、厚さが１原子層〜１０原子層の範囲にあるシェル材料層により被覆される。第１シェル材料源３６の作動条件は、析出する材料および要求される該材料の厚さに応じて決定される。水の分子ビームが真空内に導入され、基板４４に衝突する。基板は、温度制御装置４２により温度制御されており、衝突した水蒸気は氷として基板上に堆積する。該氷とナノ粒子は、同時に基板４４上に堆積し、ナノ粒子が埋め込まれた氷マトリックスからなる磁気構造体を形成する。このような温度で形成された磁気構造体を室温まで上昇させると、ナノ粒子を含む液体が提供される。この液体は、所望の表面上に噴霧され、該表面上にナノ粒子を堆積させることができる。
【００５７】
上述したいずれの製法の例も、本発明を実施するための装置において使用される書き込みヘッドの形成のために使用することができる。本発明を実施するための電磁データ記憶装置においては、磁気記憶媒体および該記憶媒体の部分的な着磁に影響を与える磁気ヘッドを備えている限り、その全体的な形態については重要ではない。本発明を実施するための電磁データ記憶装置用の好適な構成は、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）であるが、その一例については、図１および図２を参照しながら上述のように説明済みである。
【００５８】
図８は、電磁データ記憶装置において使用するのに適したデータ書き込み装置の一例を示す。書き込み装置１００は、電磁書き込みヘッドが装着された支持アーム１０２を備える。書き込みヘッドは、磁気構造体１０４と活性化素子１０６を備える。活性化素子１０６は、コイルあるいはその他の適切な電磁素子からなり、磁気構造体１０４内に磁場を励起する。
【００５９】
磁気構造体１０４は、上述のように構成されており、基板と、マトリックス材料と、該マトリックス材料に保持された複数の磁性ナノ粒子を備える。磁性ナノ粒子は、単一の元素、２以上の元素の合金、あるいは、これらの組み合わせの元素ナノ粒子により構成することができる。該単一の元素、合金、あるいは、これらの組み合わせは、埋め込まれたガス原子および／またはガス分子を含むことができる。該元素ナノ粒子の材料には、鉄（Ｆｅ）およびコバルト（Ｃｏ）が含まれる。
【００６０】
代替的に、前記磁性ナノ粒子は、コア材料からなるコア、および、前記コア材料とは異なるシェル材料からなり、前記コアを被覆するシェル層を有する構造化ナノ粒子により構成することができる。構造化ナノ粒子は、２以上のシェル層を備えることもできる。前記コア材料は、単一の元素、２以上の元素の合金、あるいは、これらの組み合わせにより構成することができる。該単一の元素、合金、あるいは、これらの組み合わせは、埋め込まれたガス原子および／またはガス分子を含むことができる。前記シェル材料は、単一の元素、２以上の元素の合金、あるいは、これらの組み合わせにより構成することができる。該単一の元素、合金、あるいは、これらの組み合わせは、埋め込まれたガス原子および／またはガス分子を含むことができる。
【００６１】
この磁性構造体１０４は、書き込みヘッドに高い磁化モーメントを付与可能である、上述のような磁性ナノ粒子を使用しているため、記憶媒体中の磁性材料に衝突する磁場を大いに増強させることができる。このような材料により、記憶媒体中において、より高い異方性を有する、より小さい磁性ナノ粒子を使用することが可能となる。記憶媒体におけるより小さい磁性ナノ粒子の使用は、記憶密度の増加をもたらす。これにより、記憶媒体に応じて、記録できるデータの量を増加させることが可能となる。
【００６２】
このような本発明によるアプローチは、現在予想されている改良品にも適用可能である。たとえば、ＨＤＤ製造業者は、熱補助型磁気記録（ＨＡＭＲ）に移行しつつある。このことは、書き込みサイクル中にナノ粒子が加熱され、このため、その保磁力が減じられ、より小さい磁場で着磁されることが可能となるため、媒体中においてより高い保磁力を有するナノ粒子の使用が可能となることを意味する。書き込みヘッドへの高いモーメントを有する磁性材料の使用により、より高い保磁力、よってより小さなナノ粒子の使用が、ＨＡＭＲをすでに使用したシステムの媒体中で使用可能となっている。
【００６３】
一例では、それぞれの構造化ナノ粒子のシェル層は、非磁性材料、遷移金属、遷移金属の合金、あるいはこれらの組み合わせを含む。
【００６４】
別例では、それぞれの磁性ナノ粒子のシェル層は、非磁性材料、希土類金属、希土類金属の合金、あるいはこれらの組み合わせを含む。
【００６５】
別例では、それぞれの磁性ナノ粒子のシェル層は、非磁性材料、遷移金属、希土類金属、希土類金属の合金、あるいはこれらの組み合わせを含む。
【００６６】
一例では、マトリックス材料は、非磁性材料、遷移金属、遷移金属の合金、希土類金属、希土類金属の合金、あるいはこれらの組合せを含む。一例では、非磁性材料としては、たとえば氷の形態にある水があげられる。
【００６７】
前記マトリックス材料および／または前記磁性ナノ粒子は、埋め込まれたガス分子あるいはガス原子を含むことができる。
【符号の説明】
【００６８】
１  ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）
２  スピニングディスク
４  書き込み・読み出しヘッド
５  アクチュエータ装置
１０  磁気構造体
１２  基板
１４  ナノ粒子
１６  ナノ粒子源（クラスタ源）
１８  マトリックス材料
２０  マトリックス材料源（ＭＢＥ源）
３０  磁気構造体形成装置
３２  マトリックス材料源
３４  ナノ粒子源
３６  第１シェル材料源
３８  第２シェル材料源
４２  温度制御装置
４４  基板
５０  シェル材料源
５２  管状純シェル材料
５４  管状ヒータ
５６  水冷熱シールド
５８  ナノ粒子
６０  構造化ナノ粒子
７２  コア
７４  第1シェル層
７６  第2シェル層
７８  構造化ナノ粒子
１００  書き込み装置
１０２  支持アーム
１０４  磁気構造体
１０６  活性化素子
【図１】
2017501525.tif 000003
【図４】
2017501525.tif 000004
【図５】
2017501525.tif 000005
【図６】
2017501525.tif 000006
【図７】
2017501525.tif 000007
【図８】
2017501525.tif 000008
【図２】
2017501525.tif 000009
【図３】
2017501525.tif 000010
【国際調査報告】
2017501525.tif 000011
2017501525.tif 000012
2017501525.tif 000013