2016 Fiscal Year Research-status Report
数値解析シミュレーションによる高周波アシスト磁気記録ヘッドの提案
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16K06321
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| Research Institution | Niigata Institute of Technology |
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Principal Investigator |
金井 靖 新潟工科大学, 工学部, 教授 (00251786)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 垂直磁気記録 / 高周波アシスト磁気記録 / スピントルク発振素子 / 記録ヘッド / マイクロマグネティック解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
高周波発振素子（STO）は高周波アシスト磁気記録（MAMR）において最も重要な構成要素であり，STOが安定に発振することはMAMRの必須条件である．平成28年度は，より一般的である，媒体に対して垂直なSTOを検討した．
記録ヘッドに組み込まないSTO（孤立STO）は，STO膜面に垂直で一様な交流磁界を加えると，磁界の強度に比例した周波数で発振する．具体的には，30nm × 30nm × 10nmのSTO素子では9kOeから14kOe程度の印可磁界（STO膜面の中心）で発振する．しかし，STOを記録ヘッドに組み込んだ場合（統合STO），記録ヘッド主磁極－トレーリングシールド間の磁界（ギャップ中磁界）はSTO膜面で不均一であり，孤立STOが発振する磁界強度（9kOeから14kOe）では発振せず，17kOe程度の強い磁界を加えないと発振しないことが分かった．この値（17kOe）は統合モデルでコイルに直流電流を流した場合にSTOが安定に発振する磁界（10kOe）と比べてもはるかに大きい．また，高周波発振層（FGL)の材料（ギルバートのダンピング定数，交換定数，飽和磁束密度）によっても安定な発振を得る可能性を示したが，磁界強度が最も大きな因子であることを示した．これはSTOを安定に発振させるためには，まず記録ヘッドを最適化せねばならないことを示しており，強い磁界を得る方策を示した．
さらに，MAMRを用いた3次元記録に関し，ヘッドに近い側から順に20GHz, 46GHz, 80GHzの高周波磁界を加え，適当なexchange-coupled-composite (ECC)媒体を用いると3層に異なった信号を記憶でき，理想的には3倍の面密度を実現できることを示した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
記録ヘッドに組み込んだ垂直構造のSTO（統合STO）が安定に発振する条件を検討した．平成27年度以前は統合STOでコイル電流に交流磁界を加え，FGLの飽和磁束密度を20kG以上とした場合には安定した発振を得ることができなかった．
孤立STOでは適当なFGLの材料特性（ギルバートのダンピング定数，交換定数または飽和磁束密度）によっても安定な発振を得ることが可能であるが，統合STOでは加える磁界が十分な強度であることが安定な発振のためには必須であることを示した．磁界強度が十分であれば，FGLとSILからなる2層構造のSTOは，透過あるいは反射のスピントルクを利用したいずれの場合も，安定した発振を得ることができる．また，FGL を両側からスピン注入層（SIL）で挟んだ3層構造のSTOに対しても安定な発振を得た．ただし，低い電流密度で発振する構造や材料は検討していない．また，平成28年度は斜め構造STOは検討していない．
MAMRによる3次元記録の可能性を検討し，媒体の強磁性共鳴を引き起こす周波数について検討した．ヘッドに近い側から順に20GHz, 46GHz, 80GHzの高周波磁界を加え，適当なexchange-coupled-composite (ECC)媒体を用いると3層に異なった信号を記録でき，理想的には3倍の面記録密度を実現できることを示した．ただし，46GHzおよび80GHzなる高周波でSTOが安定に発振する構造や材料を提案することは平成29年度以降の検討課題である．
使用ソフトウェアに関し，自作ソフトウェアはデータ作成，結果表示などの使い勝手が悪く，また，直方体と立方体しか使えないため複雑な形状への適応性が悪く，市販ソフトを中心に用いて解析を行ってきた．
以上の通り，予定以上に進んだ内容もあれば，予定よりも遅れている課題もあり，総合的に判断して概ね順調に推移していると判断する．
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| Strategy for Future Research Activity |
１）平成28年度に30nm × 30nm × 10nmのSTO素子を記録ヘッドに組み込んだ統合モデルは安定した発振を得ることができたので，より大きな（40nm × 40nm × 10nm および50nm × 50nm × 10nm）あるいは10nmよりも厚いSTO素子を安定に発振させる検討を行う．また，より高い周波数(1.5GHzおよび2.0 GHz)の検討を行う．具体的には，まず，強いギャップ中磁界を得ることが必須であろう．
２）平成28年度に実施予定であったが着手しなかった，斜めギャップモデルの検討を行う．記録ヘッドのコイルに直流電流を流した場合には，直立ギャップモデルよりも優位性があったので，STOの安定した発振を得やすいと予測している．
３）これまでは，STO素子のみの孤立モデルおよびSTO素子と記録ヘッドの統合モデルを検討し，媒体の記録シミュレーションは切り離して行ってきた．つまり，ヘッドと媒体の相互作用を無視して，ヘッドおよびSTOの磁界を求め，その後で媒体記録シミュレーションにオフラインでデータを渡して解析シミュレーションを行ってきた．平成29年度はこれらを一括して取り扱い，シミュレーションの近似度合いを上げて，実際に近付ける検討を開始し，平成30年度に解析計算を行えるように準備する．
なお，自作ソフトウェアの開発はペンディングし，市販ソフトを中心に用いて解析を行う．
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| Causes of Carryover |
高性能ワークステーションを，当初予定していた額よりも安価に購入できたこと．研究成果が当初予定していたよりも早く得られたので国際会議にて発表したこと．これらのバランスで余剰金が発生した．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
平成29年度以降は精度の高い予定を立てて予算を執行していくが，研究成果が上がっているので国際会議での発表が増えると思われる．
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| Remarks |
外部からのアタックがあり、現在は研究室のウェブページを閉鎖中。
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