СПОСОБ ЗАПИСИ И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ Российский патент 2014 года по МПК G11B11/14 

Изобретение относится к накоплению информации, в частности к способам сверхплотной записи-воспроизведения цифровой информации.

Известен способ записи и воспроизведения двоичной информации путем воздействия энергетическим пучком на аморфный слой, содержащий кремний, на поверхности подложки и регистрации областей изменения проводимости (или фазового состояния) этого слоя с помощью сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) (патент ЕПВ №0360337, G11B 9/00, 1990) или в качестве носителя использована электропроводная кремниевая полупроводниковая подложка, легированная примесями, пленку из окиси кремния на подложке и пленку нитрида кремния на пленке из окиси кремния. В качестве записывающего слоя может быть использовано полупроводниковое или изолирующее вещество, образованное плазменным напылением водородосодержащего кремния в вакууме (патент ЕПВ №0438256, G11B 9/00, 1991). В результате реализуется запоминающее устройство высокой плотности.

Однако данный способ не позволяет реализовать преимущества СТМ для эффективной и высокоплотной записи-воспроизведения.

Частично этот недостаток устраняет способ, основанный на записи путем воздействия энергетическим пучком электрического поля на аморфный кремниевый материал, полученный по водородной технологии, в котором используют углерод и германий, а в качестве подложки металл или стекло или кремниевый полупроводниковый монокристал (патент РФ №2042982, G11B 9/00, 1995) или носитель выполнен в виде тонкой пленки из оксинитрида кремния на подложки из низкоомного монокристаллического кремния (патент РФ №2044345, G11B 9/00, 1995).

Известны способы сверхплотной записи информации на магнитный носитель, основанные на ближнепольном взаимодействии: перемагничивание при помощи циркулярно-поляризованного света и перемагничивание зондом магнитно-силового микроскопа.

Известен способ записи информации, в котором перемагничивание осуществляли одиночными импульсами длительность 40 фс, частотой следования 1кГц при движении лазера вдоль образца со скоростью 50 мм/с, чтобы каждый импульс лазера попадал в новую точку образца. Проводилось два прохода - с различными направлениями поляризации света. При этом перемагничивание происходило только в том домене, в котором магнитное поле домена было направлено противоположно по отношению к направлению поля, создаваемого циркулярно-поляризованным светом (Stanciu C.D. All-Optical Magnetic Recording with Circularly Polarized Light// Phys.Rev.Lett- 2007.-v.99.- P.047601). Способ записи циркулярно-поляризованным светом демострирует предельную скорость записи, однако не демонстрирует высокой плотности записи, так как диаметр лазерного пучка достигает десятков микрон.

Для повышения плотности записи в магнито-оптических устройствах было предложено использование ближнепольного зонда для записи/считывания информации (Betzig E.Near-field magneto-optics and high density data storage/ Betzig E., J.K. Trautman, R.Wolf[et.al.]// Appl.Phys.Lett-1992.-V.61., №2-Р.). Принцип записи в данном способе предполагался магнитным - лазерное излучение и нагретый ближнепольный зонд нагревали пленку до температуры Кюри, а перемагничивание осуществлялось за счет приложенного внешнего магнитного поля.

В патенте US 8164988, 2012 предложено объединить два подхода - использование циркулярно-поляризованного света для перемагничивания и ближнепольного зонда для увеличения плотности записи. При этом в качестве носителя информации предлагалось использовать подложки с упорядоченными металлическими магнитными островками, разделенными немагнитным диэлектриком.

Данное техническое решения является наиболее близким по технической сущности. Недостатком данного технического решения является применение в качестве носителя информации материалов с островками магнитных сплавов в диэлектрической матрице, что требует достаточно сложной технологии изготовления. Также такие материалы не ориентированы на интеграцию с кремниевой микроэлектроникой и разработку принципиально новых устройств памяти. В результате данное техническое решение направлено на создание внешнего запоминающего устройства, со сферой применения, аналогичной уже существующим устройствам чтения-записи DVD и Blu-ray дисков.

Задача, на решение которой направлено данное техническое решение, заключается в применении новых магнитных материалов, совместимых с кремниевой микроэлектроникой, для сверхплотной записи и воспроизведения информации.

Технический результат заключается в расширении области применения магнитных наноструктурированных пленок силицидов переходных металлов для сверхплотной записи и воспроизведения информации.

Технический результат достигается тем, что способ записи и воспроизведения информации заключается в воздействии на поверхность записываемого слоя образца циркулярно-поляризованным светом, вводимым в волновод ближнепольным сканирующим оптическим микроскопом, согласно изобретению в качестве образца используют наноструктурированную пленку силицидов переходных металлов на кремнии, предварительно маркируют область образца при помощи скрайбирования магнитного покрытия, исследуют образец методом магнитно-силовой микроскопии на пригодность с минимальным разрешением, обеспечивающим отображение наноструктуры образца, причем размер наноструктур не должен превышать 50 нм, образец должен обладать магнитным откликом и находиться в однодоменном состоянии намагниченности, поверхность образца прецизионно сближают с оптическим зондом с оптической эффективностью не хуже 10^-6 и подвергают воздействию циркулярно-поляризованным излучением с энергией светового воздействия не менее 3 мДж/см^2, мощностью непрерывного излучения ~1 мВт, считывание информации осуществляют с помощью сканирующего зонда микроскопа в режиме магнитно-силовой микроскопии в полуконтактном режиме путем идентификации магнитных свойств наноструктурированной пленки.

В качестве переходных металлов используют Ni и Со. Самоорганизованные наноструктуры силицидов никеля и кобальта получены на кремнии в локализованном газовом разряде и обладают магнитными свойствами в результате размерного эффекта (патент РФ №2458181, С23С 14/40, 2012).

Воздействие циркулярно-поляризованным светом приводит к изменению состояния намагниченности самоорганизованных наноструктур силицидов никеля и кобальта.

На фиг.1 изображена модель переходов между состояниями в кластерах силицидов Ni и Со; на фиг.2 - схема установки для реализации способа; на фиг.3 -топография поверхности (а) и распределение намагниченности (б) в системе Ni-Si; на фиг.4 - топография поверхности (а) и распределение намагниченности (б) в системе Ni-Si после записи изображения буквы «V».

Пусть в начальный момент времени намагниченность кластера направлена вниз (фиг.1) и соответствует основному состоянию электронной системы. Магнитное квантовое число m=-S. В результате облучения светом происходит квантовый переход, сопровождающийся изменением квантовых чисел S » S - 1, -m>-m+1. На фиг.1 этот процесс изображен стрелкой а₀ b₀. Находясь в возбужденном состоянии, электронная система начинает релаксировать. Одним из каналов релаксации является безызлучательный переход в основное состояние, при котором энергия возбуждаемого состояния переходит в энергию фононов. Этот процесс может происходить без изменения магнитного квантового числа m. Он изображен горизонтальной стрелкой b₀a₁. Энергии состояний a₀,a₁,а₂,… различаются на относительно малую величину, энергию спин-орбитального взаимодействия. При дальнейшем освещении процесс повторяется. Таким образом, если равновесный спин системы электронов равен S, то поглощение спирально-поляризованных 2S фотонов приводит к перемагничиванию кластера. Поэтому этот механизм может быть положен в основу для записи информации.

Способ может быть реализован на установке, схема которой представлена на фиг.2.

Установка состоит из оптической скамьи 1, держателя 2, столика 3, основания зонта 4, держателя полупроводникового лазера 5, полупроводникового лазера 6, ромба Френеля 7, объектива 8, позиционера 9, держателя четвертьволновой пластины 10, четвертьволновой пластины в оправе 11, держателя линейного поляризатора 12, линейного поляризатора 13, держателя фотодиодов фд-24к 14, блока питания лазера 15, цифрового микроамперметра 16. Элементы 10-14, 16 предназначены для настройки оптического зонта. При записи информации они заменяются на образец для записи информации с системой подведения образца к зонту.

Для демонстрации применимости полученных наноструктурированных пленок силицидов переходных металлов к полностью оптической записи циркулярно-поляризованным светом проведен следующий эксперимент на установке, представленной на фиг.2.

Образец с наноструктурированной пленкой силицида никеля был предварительно размагничен и исследован методом магнитно-силовой микроскопии. Топография поверхности и распределение намагниченности представлены на фиг.3. Образец представляет собой однородную наноструктурированную пленку с узким распределением наноструктур по размерам в диапазоне 30-50 нм. На картине распределения намагниченности уровень сигнала не превышает уровня шума.

Предварительно исследованный образец был подвергнут воздействию циркулярно-поляризованного излучения на установке, изображенной на фиг.2, где на столике 3 вместо элементов 10-14, 16 установлен образец для записи информации с системой подведения образца прецизионным линейным энкодером (Renishaw SIGNUM RELM). Сближение зонта с образцом производилось с использованием предметного столика с микрометрическим винтом и контролировалось при помощи микроскопа. Точность подведения составляла 2 мкм.

Образец, подвергнутый воздействию света, для считывания информации повторно исследовался методом магнитно-силовой микроскопии (с использованием СЗМ Solver P47-Pro). Для этого образец извлекался из держателя установки записи и устанавливался в держатель сканирующего зондового микроскопа. С использованием маркера на образце производился поиск области, в которой осуществлялась запись информации. В выбранной области образца с использованием двухпроходной методики динамической магнитно-силовой микроскопии производилась идентификация магнитных свойств наноструктурированной пленки образца. Для уменьшения перемагничивания образца на данном этапе оба прохода производились в полуконтактном режиме. На картине (фиг.4) распределения намагниченности отчетливо виден результат записи лазерным лучом буквы «V». Ширина линии составляет 1 мкм, что хорошо коррелирует с расстоянием сближения зонда и поверхности образца.

Полученный результат полностью оптического перемагничивания наноструктурированной пленки силицида никеля, обладающей магнитными свойствами в результате размерного эффекта, получен впервые.

Для достижения предельной плотности записи при полностью оптическом перемагничивании необходимо прецизионное сближение оптического зонда с поверхностью и выбор мощности излучения и продолжительности воздействия, которые обеспечивают максимальную скорость записи и не вызывают повреждения оптического зонда.

Необходимая мощность на входе оптического зонда, которая позволяет продемонстрировать полностью оптическую запись информации согласно работам (Жданов Г.С. Оптика внутри дифракционного предела: принципы, результаты, проблемы/ УФН. - 1998. - Т. 168., №7. - С.801-804; La Rosa A.H. Origins and effects of thermal processes on near-field optical probes/ Appl.Phys.Lett.-1995.-V.67, №18.-P.2597-2599) на входе лазера должна быть ~1 мВт. Данное значение является типичным при использовании ближнепольных зондов и не повреждает их даже при непрерывном режиме работы лазера.

Таким образом, использование ближнепольного оптического перемагничивания с мощностью непрерывного входного излучения ~1 мВт и оптической эффективностью зонда не хуже 10^-6 возможно при скорости перемагничивания - 100 мкм/с. Для увеличения скорости перемагничивания необходимо увеличение оптической эффективности зонда и увеличение мощности входного излучения.

Предложен способ записи и воспроизведения информации. В способе воздействуют на поверхность записываемого слоя образца циркулярно-поляризованным светом, вводимым в волновод ближнепольным сканирующим оптическим микроскопом. В качестве образца используют наноструктурированную пленку силицидов переходных металлов на кремнии. Образец исследуют методом магнитно-силовой микроскопии на пригодность с минимальным разрешением, обеспечивающим отображение наноструктуры образца, причем размер наноструктур не должен превышать 50 нм. Образец должен обладать магнитным откликом и находиться в однодоменном состоянии намагниченности. Поверхность образца прецизионно сближают с оптическим зондом с оптической эффективностью не хуже 10^-6 и подвергают воздействию циркулярно-поляризованным излучением с энергией светового воздействия не менее 3 мДж/см², мощностью непрерывного излучения ~1 мВт. Считывание информации осуществляют с помощью сканирующего зонда микроскопа в режиме магнитно-силовой микроскопии в полуконтактном режиме путем идентификации магнитных свойств наноструктурированной пленки. Техническим результатом является повышение плотности записи информации. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ записи и воспроизведения информации заключается в воздействии на поверхность записываемого слоя образца циркулярно-поляризованным светом, вводимым в волновод ближнепольным сканирующим оптическим микроскопом, согласно изобретению в качестве образца используют наноструктурированную пленку силицидов переходных металлов на кремнии, предварительно маркируют область образца при помощи скрайбирования магнитного покрытия, исследуют образец методом магнитно-силовой микроскопии на пригодность с минимальным разрешением, обеспечивающим отображение наноструктуры образца, причем размер наноструктур не должен превышать 50 нм, образец должен обладать магнитным откликом и находиться в однодоменном состоянии намагниченности, поверхность образца прецизионно сближают с оптическим зондом с оптической эффективностью не хуже 10^-6 и подвергают воздействию циркулярно-поляризованным излучением с энергией светового воздействия не менее 3 мДж/см², мощностью непрерывного излучения ~1 мВт, считывание информации осуществляют с помощью сканирующего зонда микроскопа в режиме магнитно-силовой микроскопии в полуконтактном режиме путем идентификации магнитных свойств наноструктурированной пленки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве переходных металлов используют Ni и Со.