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

2002 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: 深道 和明 東北大学, 大学院・工学研究科, 教授 (00005969) ; 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
• 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

超高密度磁気メモリの実現には高速スイッチング及びデータ長期保存の為の熱安定性確保が必要であり,是非ともメモリーを構成する1個1個の磁性ナノ粒子のスイッチング機構を知る必要がある.しかし従来の計測技術では測定感度の面から不可能とされ,それを実現することは磁性関連分野の研究者にとり長年の夢であった.本研究では、単一の磁性ナノ粒子のスイッチング機構を計測する技術を新たに開発すると共に,有力な超高密度記録材料候補であるL1_0 FePt単結晶ナノ粒子のスイッチング機構及び熱安定性を明らかにすることを目標にした.
1.高感度磁化測定技の開発
微細加工技術と異常Hall効果を組み合わせることにより,個々のナノ粒子のスイッチング過程測定技術を新たに開発した.この測定法によれば,L1_0 FePtの場合に直径5nm程度の粒子までの磁化計測を広範な温度範囲及び磁場下において行うことができる.
2.L1_0 FePt単結晶ナノ粒子のスイッチング機構
直径d=5〜40nmのL1_0 FePt単結晶孤立集合体のスイッチング機構を調べ,d≦20nmにおいて理想的なコヒーレントスイッチングであることを明らかにした.磁性ナノ粒子のコヒーレントスイッチングを実証した最初の実験といえる.またd>20nmではインコヒーレントスイッチングに遷移し,このd≒20nmという境界サイズがマイクロマグネティクス理論の予想に一致することを確認した.またスイッチング機構とともに磁化(記録)状態の熱安定性も完全にNeel-Arrhenius則で定量的に説明できることを明らかにした.
3.単一L1_0 FePt単結晶ドットのスイッチング
改良したリソグラフィー技術によりd=50〜1100nmのL1_0 FePt単結晶ドットを作製し,1個1個のドットのスイッチング過程を調べた.その結果,d≦60nmの場合,いかなる磁場を経験させても上向き/下向き磁化の二つの状態のみが存在し,典型的なbi-stableメモリー単位になりうることを確認した.一方、d>60nmの場合,消磁後に磁区構造が発生し,bi-stable性を示さないことがわかった.但し,bi-stableなd≦60nmの場合でも,そのスイッチングは反転核生成→磁壁伝播のプロセスを経て進むことが,スイッチング磁場の方位依存性と熱揺らぎ時の活性化エネルギーの解析から明らかになった.

研究成果

• [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.: "Magnetization reversal in magnetostatically coupled dot arrays"Journal of Applied Physics. 91. 6952-6954 (2002)
• [文献書誌] S.Okamoto, et al.: "Chemical-order-dependent magnetic anisotropy and exchange stiffness constant of FePt (001) epitaxial films"Physical Review B. 66. 024413-1-024413-9 (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. 239. 409-411 (2002)
• [文献書誌] S.Okamoto, et al.: "Enhancement of magnetic anisotropy of hydrogenated Pd/Co/Pd trilayers"Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 239. 313-315 (2002)
• [文献書誌] T.Saito, et al.: "Grain growth and L1_0 ordering in FePt-SiO_2 granular film"Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 239. 310-312 (2002)
• [文献書誌] K.Oikawa, et al.: "Thermodynamic calculations of the effect of B and Ta on magnetically induced phase separation in Co-Cr-Pt alloys"Applied Physics Letters. 80. 2704-2706 (2002)
• [文献書誌] O.Kitakami, et al.: "A simple analysis for magnetic behaviors of exchange-coupled granular/continuous perpendicular magnetic recording media"Japanese Journal of Applied Physics. 41. L455-L457 (2002)
• [文献書誌] 甲野藤真他: "高密度パターンドメディア用磁性微粒子アレイの作製"日本応用磁気学会誌. 26. 243-247 (2002)
• [文献書誌] 宮崎孝道他: "Bi下地によるFePt規則相の低温合成"日本応用磁気学会誌. 26. 430-433 (2002)
• [文献書誌] H.Shima, et al.: "Pinning of magnetic vortex in microfabricated permalloy disk"Journal of Applied Physics. 92. 1473-1476 (2002)
• [文献書誌] 菊池伸明他: "スピンボルテクスのbi-stable磁化反転(解説)"日本応用磁気学会誌. 26. 188-194 (2002)
• [文献書誌] 北上修他: "L1_0-FePt微粒子薄膜の作製(解説)"日本応用磁気学会誌. 26. 1047-1053 (2002)
• [文献書誌] 岡本聡他: "パターンドメデイアの技術動向(解説)"マテリアルステージ. 2. 1-6 (2002)
• [文献書誌] Yoshihara, et al.: "Brillouin light scattering from spin waves in epitaxial hcp Co films"Physical Review B. (in press). (2003)
• [文献書誌] S.Okamoto, et al.: "Size dependence, of magnetic properties and switching behavior in FePt L1_0 nanoparticles"Physical Review B. (in press). (2003)
• [文献書誌] N.Kikuchi, et al.: "Sensitive detection of irreversible switching in a single FePt nano-sized dot"Applied Physics Letters. (in press). (2003)
• [文献書誌] S.Okamoto, et al.: "Anisotropy field of FePt L1_0 nanoparticles controlled by a very thin Pt layer"Applied Physics Letters. (in press). (2003)
• [文献書誌] O.Kitakami, et al.: "Energy barrier enhanced by higher-order magnetic anisotropy terms"Japanese Journal of Applied Physics. (in press). (2003)
• [文献書誌] T.Miyazaki, et al.: "Fabrication of two-dimensional assembly of L1_0 FePt"Journal of Applied Physics. (in press). (2003)
• [文献書誌] 北上修他: "磁気記録媒体の基礎解析(招待)"日本応用磁気学会研究会資料 「磁気ストレージ技術の趨勢はどこに」. 128. 93-103 (2003)
• [文献書誌] 岡本聡他: "磁性体の熱揺らぎ評価(解説)"日本金属学会報まてりあ. (in press). (2003)