ナノ磁性ドット規則配列格子の磁気的挙動の解明と超高密度メモリーへの応用

2001 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13555087
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 北上 修 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教授 (70250834)
• 研究分担者: 大谷 義近 東北大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (60245610) ; 島田 寛 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (00006157) ; 岡本 聡 東北大学, 多元物質科学研究所, 助手 (10292278) ; 萩野谷 千積 株式会社日立製作所, 研究員 ; 深道 和明 東北大学, 大学院・工学研究科, 教授 (00005969)
• キーワード: 磁性メモリ / ナノ磁性粒子 / 熱揺らぎ / 磁気異方性 / 高密度記録 / FePt規則合金 / スピンボルテクス / 微細加工

研究概要

本研究では,ナノメートルサイズ領域の高度に制御された高磁気異方性ナノ粒子配列を創成し,超高密度記録材料としての基本性能を明らかにすることを目的として研究を進め,以下のような成果を得ている.
1.高磁気異方性材料の開発
超高密度磁気メモリの実現には高磁気異方性材料の利用が不可欠であり,L1_0構造FePt,CoPt規則合金はその目的に合致した最適な材料である.しかし規則化温度が高過ぎることと微粒子化が難しい為に,実用化が困難視されていた.
(1)添加元素による規則化温度低減:L1_0構造FePtの不規則/規則変態時の活性化エネルギが,拡散と弾性歪に支配されることを明らかにした.前者の観点から非固溶元素Sn,Sb,Pb,Bi,後者の観点から侵入型元素Bの少量添加が,従来の規則化温度600℃以上から実用レベルの300℃以下に低減できた.
(2)多層化による規則化温度低減:Fe/Pt多層構造の組成勾配を利用し,不規則/規則変態時の拡散活性化エネルギ低減を図った.この方法によっても規則化温度を300℃以下に低減することができた.
(3)孤立型ナノ粒子構造の作:下地材料の最適化により,通常のプロセスの枠内で直径7mmの単結晶FePt(001)ナノ粒子配列体の合成が可能であることを明らかにした.
2.ナノ粒子規則配列格子作製技術と新規磁気メモリ素子の検討
(1)微細加工により直径30mmの磁性ナノ粒子規則配列格子作製に成功し,1ビット/粒子記録が可能であることを実証した.これら一連の結果は新聞やNature誌等で紹介された.
(2)ナノサイズ軟磁性円板では,中央部のスピンが面直を向いたスピンボルテクス構造をとる.我々は,この構造を利用した新たな磁気メモリ素子を提案し,実験により双安定であることと数千エルステッドの磁界に対してもメモリ状態が安定であることを実証した.
(3)Co/Pt人工格子ナノドット規則配列格子を作製し,安定磁区サイズより微小なナノ領域に入ると,完全な単磁区ドットとなり,スピンアップ/ダウンの理想的双安定性を示すことを確認した.

研究成果

• [文献書誌] K.Koike et al.: "Magnetic block array for patterned magnetic media"Applied Physics Letters. 78・6. 784-786 (2001)
• [文献書誌] 0.Kitakami et al.: "Low temperature ordering of L1_0-CoPt thin films promoted by Sn, Pb, Sb, and Bi"Applied Physics Letters. 78・8. 1104-1106 (2001)
• [文献書誌] J.W.Cai et al.: "Large coercivity and surface anisotropy in MgO/Co multilayer films"Physical Review B. 63. 14418-1-7 (2001)
• [文献書誌] K.Oikawa et al.: "Thermodynamic calculations of phase equilibria of Co-Cr-Pt ternary system and magnetically induced phase separation into the fcc and hcp phases"Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 236. 220-233 (2001)
• [文献書誌] T.Ito et al.: "Enhanced phase separation of magnetic granular films"Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 235. 165-168 (2001)
• [文献書誌] 北上修 他: "L1_0-(Co,Fe)Ptナノ構造薄膜媒体の開発に向けて(解説)"日本金属学会報まてりあ. 40・9. 786-791 (2001)
• [文献書誌] N. Kikuchi et at: "Vertical magnetization process in sub-micron Permalloy disks"IEEE Transactions on Magnetics. 37・4. 2082-2084 (2001)
• [文献書誌] T.Ibusuki et al.: "Magnetic anisotropy and behaviors of Fe nanoparticles"IEEE Transactions on Magnetics. 37・4. 2223-2225 (2001)
• [文献書誌] T.Ibusuki et al.: "Synthesis of Co_<1-x>Pt_x alloy fine particles with high coercivity"IEEE Transactions on Magnetics. 37・4. 1295-1297 (2001)
• [文献書誌] T.Ibusuki et al.: "Magnetic characterization of Co-Pt particles produced by sputtering (Invited Paper)"Scripta Materialia. 44・8/9. 1327-1331 (2001)
• [文献書誌] V. Novosad et al.: "Nucleation and annihilation of magnetic vortices in sub-micron FeNi dots"IEEE Transactions on Magnetics. 37・4. 2088-2090 (2001)
• [文献書誌] Y.Endo et al.: "Lowering of ordering temperature for fct-FePt in Fe/Pt multilayers"Journal of Applied Physics. 89・11. 7065-7067 (2001)
• [文献書誌] 0.Kitakami et al.: "0n magnetization reversal of Co-Cr films with perpendicular anisotropy"Japanese Journal of Applied Physics. 40・6. 4019-4022 (2001)
• [文献書誌] K.Oikawa et al.: "Prediction of magnetically induced phase separation in Co-Cr-based magnetic recording media"Applied Physics Letters. 79・5. 644-646 (2001)
• [文献書誌] H.Yamaguchi et al.: "Effects of B and C on the ordering of L1_0-CoPt thin films"Applied Physics Letters. 79・13. 2001-2003 (2001)
• [文献書誌] N.Kikuchi et al.: "Vertical bi-stable switching of spin vortex in a circular magnetic dot"Journal of Applied Physics. 90・12. 6548-6549 (2001)
• [文献書誌] 遠藤恭 他: "多層化によるFe-PtL1_0相の低温合成"日本応用磁気学会誌. 25・4. 835-838 (2001)
• [文献書誌] 阪上博充 他: "MgO下地膜上のFePt極薄膜の初期成長過程"日本応用磁気学会誌. 25.4. 847-850 (2001)
• [文献書誌] 菊池伸明 他: "Co/Pd人工格子ドットの磁気特性"日本応用磁気学会誌. 25・4. 859-862 (2001)
• [文献書誌] Y.Endo et al.: "Response to Comment on Determination of first and second magnetic anisotropy constants of magnetic recording media"Applied Physics Letters. 79・11. 1689-1689 (2001)
• [文献書誌] V.Novosad et al.: "Effect of interdot magnetostatic interaction on magnetization reversal in circular dot arrays"Physical Review B. 65. 060402-1-060402-4 (2002)
• [文献書誌] H.Shima et al.: "Collective magnetization reversal in magnetostatically coupled dot arrays"Journal of Applied Physics. (印刷中). (2002)
• [文献書誌] K.Oikawa et al.: "Magnetically induced two-phase separation in Co-Ge and Co-Si systems"Journal of Magnetism and Magnetic Materials. (印刷中). (2002)
• [文献書誌] K.Oikawa et al.: "Thermodynamic calculations of the effect of B and Ta on magnetically incduced phase separation in Co-Cr-Pt alloys"Applied Physics Letters. (印刷中). (2002)
• [文献書誌] 0.Kitakami et al.: "A simple analysis for magnetic behaviors of exchange-coupled granular/continuous perpendicular magnetic recording media"Japanese Journal of Applied Physics. (印刷中). (2002)
• [文献書誌] 菊池伸明 他: "スピンボルテクスのbi-stabile磁化反転(解説)"日本応用磁気学会誌. (印刷中). (2002)
• [文献書誌] 甲野藤真 他: "高密度パターンドメデイア用磁性微粒子アレイの作製"日本応用磁気学会誌. (印刷中). (2002)