JP2557964B2 - データ記憶装置 - Google Patents
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Classifications
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- G—PHYSICS
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- G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
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- G11B9/12—Recording or reproducing using a method not covered by one of the main groups G11B3/00 - G11B7/00; Record carriers therefor using near-field interactions; Record carriers therefor
- G11B9/14—Recording or reproducing using a method not covered by one of the main groups G11B3/00 - G11B7/00; Record carriers therefor using near-field interactions; Record carriers therefor using microscopic probe means, i.e. recording or reproducing by means directly associated with the tip of a microscopic electrical probe as used in Scanning Tunneling Microscopy [STM] or Atomic Force Microscopy [AFM] for inducing physical or electrical perturbations in a recording medium; Record carriers or media specially adapted for such transducing of information
- G11B9/1463—Record carriers for recording or reproduction involving the use of microscopic probe means
- G11B9/149—Record carriers for recording or reproduction involving the use of microscopic probe means characterised by the memorising material or structure
-
- G—PHYSICS
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-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
Landscapes
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
- Automatic Analysis And Handling Materials Therefor (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 A.産業上の利用分野 本発明は、ディジタル・データ記憶装置と、電子トン
ネル技術の使用法に関するもので、特に、平坦な記憶表
面に分子を選択的に付着させて、表面凹凸の形で読取り
可能なデータを生成することによりデータを書き込み、
上記の分子を記憶表面を破損せずに選択的に取り外すこ
とによりデータを消去する、直接アクセス記憶装置（DA
SD）及び方法に関するものである。
ネル技術の使用法に関するもので、特に、平坦な記憶表
面に分子を選択的に付着させて、表面凹凸の形で読取り
可能なデータを生成することによりデータを書き込み、
上記の分子を記憶表面を破損せずに選択的に取り外すこ
とによりデータを消去する、直接アクセス記憶装置（DA
SD）及び方法に関するものである。
B.従来技術 従来のDASDでは、磁気ヘッドは空気ベアリングによ
り、回転するディスク上に支持される。面積密度を高め
るため、ヘッドをできるだけディスクに近づけたり、ト
ラック幅を小さくしたり、ランの長さを限定するコード
を使用するなどの努力が絶えず行なわれている。走査型
トンネル顕微鏡検査法が発見されてから、電子トンネル
技術を用いて、現在のDASDのアクセス速度とデータ転送
速度に匹敵するテラバイト/cm2のオーダの面積密度を与
えるDASDを実現することが考えられてきた。
り、回転するディスク上に支持される。面積密度を高め
るため、ヘッドをできるだけディスクに近づけたり、ト
ラック幅を小さくしたり、ランの長さを限定するコード
を使用するなどの努力が絶えず行なわれている。走査型
トンネル顕微鏡検査法が発見されてから、電子トンネル
技術を用いて、現在のDASDのアクセス速度とデータ転送
速度に匹敵するテラバイト/cm2のオーダの面積密度を与
えるDASDを実現することが考えられてきた。
これと最も関連が深いと考えられる技術は、米国特許
第4575822号明細書に開示されたもので、基板上の平坦
な記憶表面に、物理的、電気的及び磁気的な摂動を生じ
させてデータを書き込むデータ記憶装置に関するもので
ある。その後、この表面と可動プローブとの間にトンネ
ル電子流を生じさせてデータを読み取る。物理的摂動
は、物理的プローブ、合焦させたレーザ光線、電子線も
しくは他の形の放射線及び粒子線で生成させるか、また
は導電性、絶縁性の粒子もしくは磁気粒子を付着させる
ことにより生成させる。これらのいずれの場合にも、物
理的摂動を消去する際に、記憶表面に破損を生じる。こ
れまでに提案された物理的摂動を消去するための唯一の
方法はアニーリングである。
第4575822号明細書に開示されたもので、基板上の平坦
な記憶表面に、物理的、電気的及び磁気的な摂動を生じ
させてデータを書き込むデータ記憶装置に関するもので
ある。その後、この表面と可動プローブとの間にトンネ
ル電子流を生じさせてデータを読み取る。物理的摂動
は、物理的プローブ、合焦させたレーザ光線、電子線も
しくは他の形の放射線及び粒子線で生成させるか、また
は導電性、絶縁性の粒子もしくは磁気粒子を付着させる
ことにより生成させる。これらのいずれの場合にも、物
理的摂動を消去する際に、記憶表面に破損を生じる。こ
れまでに提案された物理的摂動を消去するための唯一の
方法はアニーリングである。
本出願人に係る特願昭62−218号明細書にも、電子ト
ンネル技術を用いた直接アクセス記憶装置が開示されて
いる。この装置は、それぞれがそれ自体の片持ちばりを
有するトンネル・プローブのアレイからなる。各はり
は、平坦な記録表面に隣接して設けられ、上記の表面が
軌道運動を行なう際に、上記の表面の各微小ディスク領
域上の選択可能なトラックを走査し、上記の表面に向か
って移動することにより、上記の表面上に周期的かつ選
択的に情報を記録する。
ンネル技術を用いた直接アクセス記憶装置が開示されて
いる。この装置は、それぞれがそれ自体の片持ちばりを
有するトンネル・プローブのアレイからなる。各はり
は、平坦な記録表面に隣接して設けられ、上記の表面が
軌道運動を行なう際に、上記の表面の各微小ディスク領
域上の選択可能なトラックを走査し、上記の表面に向か
って移動することにより、上記の表面上に周期的かつ選
択的に情報を記録する。
C.発明が解決しようとする問題点 （ａ）分子または原子を平坦な基板に選択的に結合さ
せて離散的ビットを書き込み、選択的に取り外して選択
した１つまたは複数の場所のビットを消去して、上記の
表面を損傷させることなく、その元来の平滑さを回復
し、（ｂ）S/N比がビット高さに対して指数関数的に変
化することを利用して高いS/N比を維持し、（ｃ）ビッ
トが100ナノ秒未満に読込みまたは消去が可能で、25ナ
ノ秒未満に読取りが可能な、１平方センチメートル当た
り１テラバイトを超える密度を達成できる、改良された
ディジタル・データ記憶装置が必要とされている。
せて離散的ビットを書き込み、選択的に取り外して選択
した１つまたは複数の場所のビットを消去して、上記の
表面を損傷させることなく、その元来の平滑さを回復
し、（ｂ）S/N比がビット高さに対して指数関数的に変
化することを利用して高いS/N比を維持し、（ｃ）ビッ
トが100ナノ秒未満に読込みまたは消去が可能で、25ナ
ノ秒未満に読取りが可能な、１平方センチメートル当た
り１テラバイトを超える密度を達成できる、改良された
ディジタル・データ記憶装置が必要とされている。
D.問題点を解消するための手段 本発明は、トンネル電子による電気化合的な結合作用
を受ける複数の分子を含有した液晶または配列有機系の
周囲液体に接触している原子的に平坦な表面を有するグ
ラファイト基板と、尖端状電極（チップと呼ぶ）を有す
る導電性のプローブと、上記プローブ・チップを上記導
電性基板に近接した非接触状態で上記基板に関して相対
的に移動させる走査手段と、上記基板およびプローブ間
に狭小な予め選定した電圧パルスを選択的に印加する手
段とを具備したデータ記憶装置であって、上記電圧パル
スの印加により流れるトンネル電子による電気化学的な
作用の下に、チップに対向した選択した位置において液
体内を自由運動中の分子および基板表面部分の少なくと
も一方が活性化されてその分子を液体中から捕捉して対
応する基板表面部分に結合させ、基板表面上の選択位置
に分子の高さの突出部の形でデータビットを書き込むこ
とになる。この作用は可逆的であり、反対極性のパルス
の印加によりまたは紫外線の合焦もしくはフラッド照射
により消去できる。
を受ける複数の分子を含有した液晶または配列有機系の
周囲液体に接触している原子的に平坦な表面を有するグ
ラファイト基板と、尖端状電極（チップと呼ぶ）を有す
る導電性のプローブと、上記プローブ・チップを上記導
電性基板に近接した非接触状態で上記基板に関して相対
的に移動させる走査手段と、上記基板およびプローブ間
に狭小な予め選定した電圧パルスを選択的に印加する手
段とを具備したデータ記憶装置であって、上記電圧パル
スの印加により流れるトンネル電子による電気化学的な
作用の下に、チップに対向した選択した位置において液
体内を自由運動中の分子および基板表面部分の少なくと
も一方が活性化されてその分子を液体中から捕捉して対
応する基板表面部分に結合させ、基板表面上の選択位置
に分子の高さの突出部の形でデータビットを書き込むこ
とになる。この作用は可逆的であり、反対極性のパルス
の印加によりまたは紫外線の合焦もしくはフラッド照射
により消去できる。
本明細書では、原子的に平坦な表面とは、絶対平坦か
らの偏差がその表面に電気化合的に結合する分子の高さ
の整数分の一、たとえば1/4を超えない表面を意味す
る。
らの偏差がその表面に電気化合的に結合する分子の高さ
の整数分の一、たとえば1/4を超えない表面を意味す
る。
次に、このようにして書き込んだビットを読み取るに
は、プローブと基板にバイアス電圧を印加して、トンネ
ル電子流がプローブ・チップと表面との間に流れるよう
にし、このときの上記の電子流の変動（または、チップ
が表面の上方で一定の間隔を保つようにフィードバック
制御されている場合には、チップの位置、あるいはその
両方）を測定、検出してビットの状態を示す。このビッ
トは、適当な電圧パルスでプローブを付勢することによ
り選択的に消去され、これにより、表面に損傷を与える
ことなく選択した場所の分子が取り外されて上記の場所
の表面が元の平坦な構造に回復される。読取り時には、
プローブ・チップと記憶表面の間のバイアス電圧を低く
維持し、書込み及び消去時には、チップに高い電圧パル
スを印加する。
は、プローブと基板にバイアス電圧を印加して、トンネ
ル電子流がプローブ・チップと表面との間に流れるよう
にし、このときの上記の電子流の変動（または、チップ
が表面の上方で一定の間隔を保つようにフィードバック
制御されている場合には、チップの位置、あるいはその
両方）を測定、検出してビットの状態を示す。このビッ
トは、適当な電圧パルスでプローブを付勢することによ
り選択的に消去され、これにより、表面に損傷を与える
ことなく選択した場所の分子が取り外されて上記の場所
の表面が元の平坦な構造に回復される。読取り時には、
プローブ・チップと記憶表面の間のバイアス電圧を低く
維持し、書込み及び消去時には、チップに高い電圧パル
スを印加する。
E.実施例 第１図及び第２図に示すように、本発明の実施例であ
るデータ記憶装置は、導電性プローブ10のアレイを含
む。これらのプローブは、この説明では、第２図に示す
ような針状のチップ11を有するエッチングされた片持ち
ばりの形状のもので、“シリコンの動的微小力学：技術
と装置（Dynamic Micromechanics on Silicon:Techniqu
es and Devices）”、IEEEトランザクションズ・オン・
エレクトロン・デバイシズ（IEEE Transactions on Ele
ctron Devices）、Vol.ED−25、No.10、1978年10月、p
p.1241〜1250に記載されている方法で、すなわちシリコ
ン基板12をエッチングして、プローブ・チップを有する
片持ちばりのマトリックス・アレイを形成する方法によ
り形成することができる。
るデータ記憶装置は、導電性プローブ10のアレイを含
む。これらのプローブは、この説明では、第２図に示す
ような針状のチップ11を有するエッチングされた片持ち
ばりの形状のもので、“シリコンの動的微小力学：技術
と装置（Dynamic Micromechanics on Silicon:Techniqu
es and Devices）”、IEEEトランザクションズ・オン・
エレクトロン・デバイシズ（IEEE Transactions on Ele
ctron Devices）、Vol.ED−25、No.10、1978年10月、p
p.1241〜1250に記載されている方法で、すなわちシリコ
ン基板12をエッチングして、プローブ・チップを有する
片持ちばりのマトリックス・アレイを形成する方法によ
り形成することができる。
基板12は、論文“モノリシック高精度変換機構の設計
と評価（Design and Assessment of Monolithic High P
recision Translation Mechanisms）"J.Phys.E（GB）、
Vol.20、No.8、1987年８月、pp.977〜983の第１図に示
された形状の複合板ばね集合体13とすることが好まし
い。簡単にいえば、この集合体13は、２つのプラットフ
ォームからなる四角形の複合直線ばねであり、その主プ
ラットフォームは基板12であり、副プラットフォーム14
は、基板に接続された内側柔軟脚15、16とそれぞれ19
a、19bに固定された外側柔軟脚17、18とにより支持され
ている。集合体13は、直流モータ、パルス・モータ、ま
たはボイス・コイル・モータ等の適当な動力源21からの
駆動力を受けて、ｘ方向（すなわち第１図で紙面に垂直
な方向）の粗い１次元運動を制御する。
と評価（Design and Assessment of Monolithic High P
recision Translation Mechanisms）"J.Phys.E（GB）、
Vol.20、No.8、1987年８月、pp.977〜983の第１図に示
された形状の複合板ばね集合体13とすることが好まし
い。簡単にいえば、この集合体13は、２つのプラットフ
ォームからなる四角形の複合直線ばねであり、その主プ
ラットフォームは基板12であり、副プラットフォーム14
は、基板に接続された内側柔軟脚15、16とそれぞれ19
a、19bに固定された外側柔軟脚17、18とにより支持され
ている。集合体13は、直流モータ、パルス・モータ、ま
たはボイス・コイル・モータ等の適当な動力源21からの
駆動力を受けて、ｘ方向（すなわち第１図で紙面に垂直
な方向）の粗い１次元運動を制御する。
適当な材料のほぼ平坦で、ほとんど欠陥のない記憶表
面30を適当な基板上に設ける。表面30は、グラファイト
等、原子的に平坦な材料が好ましい。この基板を、通常
走査型トンネル顕微鏡（STM）で使用する型式の圧電管
手段を含むxyzドライブ31に取り付ける。この種のxyzド
ライブについては、米国特許出願06/892977号明細書に
記載されている。xyzドライブ31は、プラットフォーム3
2に取り付ける。プラットフォーム32は、プラットフォ
ーム32に平行な部材33と、脚17、18を挟んで延び、プラ
ットフォーム32と部材33とを連結する２本の柔軟性の脚
34、35とからなる四角形の板ばね集合体32aの１辺をな
す。動力源21と類似の動力源36が、ｙ方向（すなわち第
１図で垂直の方向）の粗い１次元運動を制御するための
駆動力をプラットフォーム32に与える。これらの複合板
ばね集合体13及び32aにより、記憶表面30がプローブ・
チップ11に対して大きな相対運動（たとえば、10-2〜10
-4/cm2）を行なうことができる。
面30を適当な基板上に設ける。表面30は、グラファイト
等、原子的に平坦な材料が好ましい。この基板を、通常
走査型トンネル顕微鏡（STM）で使用する型式の圧電管
手段を含むxyzドライブ31に取り付ける。この種のxyzド
ライブについては、米国特許出願06/892977号明細書に
記載されている。xyzドライブ31は、プラットフォーム3
2に取り付ける。プラットフォーム32は、プラットフォ
ーム32に平行な部材33と、脚17、18を挟んで延び、プラ
ットフォーム32と部材33とを連結する２本の柔軟性の脚
34、35とからなる四角形の板ばね集合体32aの１辺をな
す。動力源21と類似の動力源36が、ｙ方向（すなわち第
１図で垂直の方向）の粗い１次元運動を制御するための
駆動力をプラットフォーム32に与える。これらの複合板
ばね集合体13及び32aにより、記憶表面30がプローブ・
チップ11に対して大きな相対運動（たとえば、10-2〜10
-4/cm2）を行なうことができる。
他の１対の柔軟な脚37、38がそれぞれ脚34、35を挟
み、脚34、35の接続点の外側で部材33に接続する。脚3
7、38の他端は、それぞれ固定されたマイクロメータ3
9、40に接続する。マイクロメータの回転により、プロ
ーブ・チップ11に対する記憶表面30のｚ方向（すなわち
第１図で左右の方向）の粗い１次元調節が行なわれる。
み、脚34、35の接続点の外側で部材33に接続する。脚3
7、38の他端は、それぞれ固定されたマイクロメータ3
9、40に接続する。マイクロメータの回転により、プロ
ーブ・チップ11に対する記憶表面30のｚ方向（すなわち
第１図で左右の方向）の粗い１次元調節が行なわれる。
xyzドライブ31は、従来技術のSTM装置について記載さ
れている方式で、基板12に取り付けられたプローブ・チ
ップ11に対して記憶表面30を微調整する。ドライブ31
は、所望の極めて小さいパターン、たとえばラスタ・パ
ターン中での記憶表面30のｘ、ｙ及びｚ方向の運動を制
御する。
れている方式で、基板12に取り付けられたプローブ・チ
ップ11に対して記憶表面30を微調整する。ドライブ31
は、所望の極めて小さいパターン、たとえばラスタ・パ
ターン中での記憶表面30のｘ、ｙ及びｚ方向の運動を制
御する。
次に第２図を参照すると、アレイのプローブ・チップ
11は、各電極41、42間の静電力により、第１図のｚ方向
に個別に移動することができる。
11は、各電極41、42間の静電力により、第１図のｚ方向
に個別に移動することができる。
データ記憶装置の電気回路は、第３図に概略を示した
種類のものとすることができる。図に示すように、ドラ
イブ・インターフェース50は、制御信号及びデータを送
受信するために、制御装置またはCPU（図示せず）等の
適当な外部装置に接続する手段から構成される。書き込
むデータは、インターフェース50を介して、システムの
誤り率及びビット密度が最適になるように設計されたエ
ンコーダ51に送られる。次にデータはエンコーダ51か
ら、書込み／消去回路52に送られる。書込み／消去回路
52は、プローブ・チップ11に印加するあらかじめ選択し
た大きさ及び極性の電圧パルスを形成するためのドライ
バを含む。チップ選択信号が線53に現われると、回路52
からの出力がAND回路54で処理されて、基板12上の選択
されたプローブ・チップ11に送られる。（説明を簡単に
するために、単一のプローブ・チップの選択用の回路の
みが示してあり、53は１本のバスで、54は、アレイ中の
特定の１つのプローブを選択するデコーダとする。） 選択したプローブ・チップ11に電圧パルスを印加する
と、下記に詳細に説明する方法で、上記の表面に接触す
る分子を含有する流体から、分子が記憶表面30に解離可
能に結合する。
種類のものとすることができる。図に示すように、ドラ
イブ・インターフェース50は、制御信号及びデータを送
受信するために、制御装置またはCPU（図示せず）等の
適当な外部装置に接続する手段から構成される。書き込
むデータは、インターフェース50を介して、システムの
誤り率及びビット密度が最適になるように設計されたエ
ンコーダ51に送られる。次にデータはエンコーダ51か
ら、書込み／消去回路52に送られる。書込み／消去回路
52は、プローブ・チップ11に印加するあらかじめ選択し
た大きさ及び極性の電圧パルスを形成するためのドライ
バを含む。チップ選択信号が線53に現われると、回路52
からの出力がAND回路54で処理されて、基板12上の選択
されたプローブ・チップ11に送られる。（説明を簡単に
するために、単一のプローブ・チップの選択用の回路の
みが示してあり、53は１本のバスで、54は、アレイ中の
特定の１つのプローブを選択するデコーダとする。） 選択したプローブ・チップ11に電圧パルスを印加する
と、下記に詳細に説明する方法で、上記の表面に接触す
る分子を含有する流体から、分子が記憶表面30に解離可
能に結合する。
第３図に示す電気回路はまた、インターフェース50と
サーボ読取り電子回路／デコーダ56との間に挿入された
マイクロプロセッサ／制御電子回路55を含む。サーボ読
取り電子回路／デコーダ56は、粗大信号線及び微細信号
線57、58を介して制御論理回路59を条件付けし、第１図
に関連して述べた構造を用いて、プローブ・チップ11
を、記憶表面に対してｘ、ｙもしくはｚ方向、またはす
べての方向で粗大運動及び微細運動を行なわせる。選択
したチップ11が読み取る選択したビット上を通過する
と、チップ両端のトンネル電流が変化し、60で増幅さ
れ、61でディジタル化されて、デコーダ62に送られる。
デコーダ62で復号された線63上のデータは、線65上のク
ロック・パルスに応じて、ANDゲート64からゲート・ア
ウトされる。
サーボ読取り電子回路／デコーダ56との間に挿入された
マイクロプロセッサ／制御電子回路55を含む。サーボ読
取り電子回路／デコーダ56は、粗大信号線及び微細信号
線57、58を介して制御論理回路59を条件付けし、第１図
に関連して述べた構造を用いて、プローブ・チップ11
を、記憶表面に対してｘ、ｙもしくはｚ方向、またはす
べての方向で粗大運動及び微細運動を行なわせる。選択
したチップ11が読み取る選択したビット上を通過する
と、チップ両端のトンネル電流が変化し、60で増幅さ
れ、61でディジタル化されて、デコーダ62に送られる。
デコーダ62で復号された線63上のデータは、線65上のク
ロック・パルスに応じて、ANDゲート64からゲート・ア
ウトされる。
記憶表面30上の一定の場所がサーボ・パターン域とし
てあらかじめ選択される。チップがこれらの領域上を通
過すると、アドレス位置と、選択されたチップ11を選択
したデータ・トラック上で中心合わせするオフトラック
信号とを読み取る。たとえば、各周波数のビットが、名
目トラックの中心の両側に書き込まれる。チップは、上
記の各周波数の信号の大きさを適切に均衡させることに
より、チップをトラック内で中心合わせさせる。
てあらかじめ選択される。チップがこれらの領域上を通
過すると、アドレス位置と、選択されたチップ11を選択
したデータ・トラック上で中心合わせするオフトラック
信号とを読み取る。たとえば、各周波数のビットが、名
目トラックの中心の両側に書き込まれる。チップは、上
記の各周波数の信号の大きさを適切に均衡させることに
より、チップをトラック内で中心合わせさせる。
トラックを変更する場合は、マイクロプロセッサ55が
適切なドライブを条件付けして、移動させる距離に応じ
て、微調整または粗調整と微調整を行なう。選択したチ
ップ11が移動すると、アドレスを見つけてトラックに乗
るため、サーボ・パターンが読み取られる。
適切なドライブを条件付けして、移動させる距離に応じ
て、微調整または粗調整と微調整を行なう。選択したチ
ップ11が移動すると、アドレスを見つけてトラックに乗
るため、サーボ・パターンが読み取られる。
記憶表面30は長方形で、複数の長方形データ・ブロッ
クからなるものであることが好ましい。各データ・ブロ
ックは、一連の平行なデータ・トラックからなり、それ
ぞれがその一端に隣接して各サーボ・アドレス・パター
ンを有する。
クからなるものであることが好ましい。各データ・ブロ
ックは、一連の平行なデータ・トラックからなり、それ
ぞれがその一端に隣接して各サーボ・アドレス・パター
ンを有する。
ｚ粗調整装置がプローブ・アレイを記憶表面30からあ
らかじめ選択した距離（たとえば、10オングストロー
ム）に調整すると、ｘ及びｙ粗調整装置を用いて特定の
ブロックにアクセスする。圧電手段31が、選択したプロ
ーブ・チップを選択したトラックに移動させるための、
選択したブロック内でのxyz方向の微細な動きを制御す
る。
らかじめ選択した距離（たとえば、10オングストロー
ム）に調整すると、ｘ及びｙ粗調整装置を用いて特定の
ブロックにアクセスする。圧電手段31が、選択したプロ
ーブ・チップを選択したトラックに移動させるための、
選択したブロック内でのxyz方向の微細な動きを制御す
る。
実験では、本発明の特徴によれば、ほぼ単結晶性のグ
ラファイト基板を気相成長法により成長させて原子的に
平坦な表面の記憶表面30を形成した。このグラファイト
成長表面をフタル酸ジ（２−エチルヘキシル）の液体皮
膜で被覆した。この皮膜の厚さは100オングストローム
のオーダまたはそれ以下のオーダである。30mVオーダの
低電圧のバイアスをグラファイトに印加した。流れる電
流の大きさは、チップおよび表面30の距離の関数であ
る。選択したプローブ・チップ11は、前述のように粗調
整装置21,36でチップ・アレイ12を選択したブロックに
移動させた後、微細運動XYZドライブ31の制御の下でラ
スタ走査した。このラスタ走査中、3.7Vの振幅で100ナ
ノ秒のパルス幅の一連のパルスがタングステン材の選択
したプローブ・チップ11へ印加されると、タングステン
・チップが電気化学的にエッチングされ、周囲液体中の
分子がグラファト表面30上に電気化学的に結合された。
この表面上に結合された分子による表面突出部が選択し
た位置におけるデータビットを表現し、これらの分子の
結合によりデータビットが書き込まれたことになる。こ
れらの各ビットは、表面占有面積が27×27オングストロ
ームで、表面突出部の高さが少なくとも15オングストロ
ームであった。前述のように、選択したチップが液体中
の１つの分子を対応する基板表面部分に電気化学気に結
合する迄は、絶縁バリアとして作用すべき分子が流体中
でマイクロブラウン運動により自由自在に運動するので
（すなわち、分子を含有した周囲流体はプローブにとっ
ては電気的に透明であるので）、プローブからはクラフ
ァイト表面30のみが認識できることになる。この実験
は、周囲流体として空気中でなされた。分子結合による
表面不規則性の形成、すなわちビットの物理的な形成、
には、3.5eVの電圧しきい値があることが判明した。
ラファイト基板を気相成長法により成長させて原子的に
平坦な表面の記憶表面30を形成した。このグラファイト
成長表面をフタル酸ジ（２−エチルヘキシル）の液体皮
膜で被覆した。この皮膜の厚さは100オングストローム
のオーダまたはそれ以下のオーダである。30mVオーダの
低電圧のバイアスをグラファイトに印加した。流れる電
流の大きさは、チップおよび表面30の距離の関数であ
る。選択したプローブ・チップ11は、前述のように粗調
整装置21,36でチップ・アレイ12を選択したブロックに
移動させた後、微細運動XYZドライブ31の制御の下でラ
スタ走査した。このラスタ走査中、3.7Vの振幅で100ナ
ノ秒のパルス幅の一連のパルスがタングステン材の選択
したプローブ・チップ11へ印加されると、タングステン
・チップが電気化学的にエッチングされ、周囲液体中の
分子がグラファト表面30上に電気化学的に結合された。
この表面上に結合された分子による表面突出部が選択し
た位置におけるデータビットを表現し、これらの分子の
結合によりデータビットが書き込まれたことになる。こ
れらの各ビットは、表面占有面積が27×27オングストロ
ームで、表面突出部の高さが少なくとも15オングストロ
ームであった。前述のように、選択したチップが液体中
の１つの分子を対応する基板表面部分に電気化学気に結
合する迄は、絶縁バリアとして作用すべき分子が流体中
でマイクロブラウン運動により自由自在に運動するので
（すなわち、分子を含有した周囲流体はプローブにとっ
ては電気的に透明であるので）、プローブからはクラフ
ァイト表面30のみが認識できることになる。この実験
は、周囲流体として空気中でなされた。分子結合による
表面不規則性の形成、すなわちビットの物理的な形成、
には、3.5eVの電圧しきい値があることが判明した。
この分子のグラファイト表面への電気化学的な結合の
詳細なメカニズムは、まだ明確には判明していない。し
かし、本発明者は、この結合過程においては、吸収され
るトンネル電子が分子およびグラファイト表面の少なく
とも一方を活性化するのに十分なエネルギを有してい
て、両者間に吸引力を発生するためと考える。前述の3.
5eVのしきい値電子エネルギは、典型的な１個の炭素原
子間結合エネルギに一致するので、共有結合の開裂が分
子の結合過程の一部として関連しているものと考えられ
る。あるいは、この結合がトンネル電子により誘発され
る双極子間相互作用によって生じているかも知れない。
詳細なメカニズムは、まだ明確には判明していない。し
かし、本発明者は、この結合過程においては、吸収され
るトンネル電子が分子およびグラファイト表面の少なく
とも一方を活性化するのに十分なエネルギを有してい
て、両者間に吸引力を発生するためと考える。前述の3.
5eVのしきい値電子エネルギは、典型的な１個の炭素原
子間結合エネルギに一致するので、共有結合の開裂が分
子の結合過程の一部として関連しているものと考えられ
る。あるいは、この結合がトンネル電子により誘発され
る双極子間相互作用によって生じているかも知れない。
このようにして書き込まれたビットを読み取るため、
選択したプローブ・チップ11に一定の電圧を印加した。
この電圧は上記の約3.5Vの読取り電圧しきい値よりはる
かに低かった。ビットが書き込まれた（すなわち分子が
結合された）所では、選択したチップ11で走査されたと
き、大きな電流変調があった。このトンネル（電界放
出）電流の変化を増幅し、ディジタル化した。この電流
変化を表面の高さ、したがってビットの存在を示すイン
ジケータとして直接使ったが、必要ならば高周波フィー
ドバック・システム（図示せず）を用いて、電子流を一
定に保ち、これにより電子流を一定に保つのに必要なフ
ィードバックの変化を検出してビットの存在を間接的に
示すこともできる。
選択したプローブ・チップ11に一定の電圧を印加した。
この電圧は上記の約3.5Vの読取り電圧しきい値よりはる
かに低かった。ビットが書き込まれた（すなわち分子が
結合された）所では、選択したチップ11で走査されたと
き、大きな電流変調があった。このトンネル（電界放
出）電流の変化を増幅し、ディジタル化した。この電流
変化を表面の高さ、したがってビットの存在を示すイン
ジケータとして直接使ったが、必要ならば高周波フィー
ドバック・システム（図示せず）を用いて、電子流を一
定に保ち、これにより電子流を一定に保つのに必要なフ
ィードバックの変化を検出してビットの存在を間接的に
示すこともできる。
記憶表面30から選択した分子を除去することによりビ
ットを選択的に消去した。これは、結合がイオン結合の
場合、エンコーダ51、書込／消去回路52、ANDゲート5
4、及び線53上の信号を用いて、選択したプローブ・チ
ップ11へのパルスの極性を逆転させることによって行な
える。消去しきい値は書込みしきい値にほぼ等しい。選
択した分子はグラファイトの記憶表面30から完全に除去
され、目に見える欠陥のないグラファイトの表面が残る
ことが判明した。
ットを選択的に消去した。これは、結合がイオン結合の
場合、エンコーダ51、書込／消去回路52、ANDゲート5
4、及び線53上の信号を用いて、選択したプローブ・チ
ップ11へのパルスの極性を逆転させることによって行な
える。消去しきい値は書込みしきい値にほぼ等しい。選
択した分子はグラファイトの記憶表面30から完全に除去
され、目に見える欠陥のないグラファイトの表面が残る
ことが判明した。
別法として、基板から分子を除去することが知られて
いる紫外線を合焦またはフラッド照射することによっ
て、各ブロックの選択的消去または広範な消去を行なう
ことができる。
いる紫外線を合焦またはフラッド照射することによっ
て、各ブロックの選択的消去または広範な消去を行なう
ことができる。
本発明によれば、液晶、ラングミュア・ブロジェット
皮膜、脂質二重層等の配列有機系と呼ばれる分子を含む
周囲流体も使用できる。この種の材料を使って、その固
有の２次元配列性により、書き込んだビット及び、配列
した背景基板を得ることができる。これらの分子はフタ
ル酸塩と同じ種類の有機薬品であるが、これらは配列さ
せる必要のないグラファイトまたはその他の基板上の薄
膜中に２次元（たとえば、一連の平行な行）で自然に配
列するという特徴を有する。これは読み書きの助けにな
るばかりではなく、あらかじめ選択したデータ・チャネ
ルに沿ってチップ11を案内するのに使用できる一連のト
ラックまたはパターンをも与える。本発明者等は、行ま
たはチャネルの間隔が30オングストロームの液晶材料ｐ
−ｎ−オクチル−ｐ′−シアノビフェニルを用いてビッ
トを書き込むことに成功した。
皮膜、脂質二重層等の配列有機系と呼ばれる分子を含む
周囲流体も使用できる。この種の材料を使って、その固
有の２次元配列性により、書き込んだビット及び、配列
した背景基板を得ることができる。これらの分子はフタ
ル酸塩と同じ種類の有機薬品であるが、これらは配列さ
せる必要のないグラファイトまたはその他の基板上の薄
膜中に２次元（たとえば、一連の平行な行）で自然に配
列するという特徴を有する。これは読み書きの助けにな
るばかりではなく、あらかじめ選択したデータ・チャネ
ルに沿ってチップ11を案内するのに使用できる一連のト
ラックまたはパターンをも与える。本発明者等は、行ま
たはチャネルの間隔が30オングストロームの液晶材料ｐ
−ｎ−オクチル−ｐ′−シアノビフェニルを用いてビッ
トを書き込むことに成功した。
したがって、xyzドライブ31が10ミクロンの有効行程
を有し記憶密度が70テラビット/cm2の場合、約1000万ビ
ットを、各プローブ・チップ11の機械的領域内に記憶さ
せることができることがわかる。前述のように、記憶表
面30は、プローブ・アレイに対して移動させて、各種の
ブロックに対して位置決めすることができる。各ブロッ
クは、書き込まれたビットとデータからなる識別及びサ
ーボ・パターンを有することになる。
を有し記憶密度が70テラビット/cm2の場合、約1000万ビ
ットを、各プローブ・チップ11の機械的領域内に記憶さ
せることができることがわかる。前述のように、記憶表
面30は、プローブ・アレイに対して移動させて、各種の
ブロックに対して位置決めすることができる。各ブロッ
クは、書き込まれたビットとデータからなる識別及びサ
ーボ・パターンを有することになる。
上記の記憶装置により、S/N比が著しく改善される。
これは、S/N比が表面の高さの変動によって支配される
ためである。ビニヒとローラ（Binnig and Rohrer）、I
BMジャーナル・オブ・リサーチ・アンド・デベロップメ
ント（IBM Journal of Research and Development）、V
ol.30、1986年７月に報告されているように、トンネル
電流はe-fisに比例する。ただしfiはプローブと基板と
の間のトンネル効果の有効バリア高さの平方根、ｓはそ
の分離間隔である（バリア高さとは、グラファイトまた
はトンネル・プローブから電子を除去するのに必要なエ
ネルギーである）。プローブ・チップが基板を走査する
ときこの高さに保たれると、高さｚを持つビットはe
-fi(s-z)の信号を有することになる。ノイズが有効高さ
変動dzとして書き込まれると、S/N比は、S/N＝e
fi(z-dz)となる。ただしfiは電子ボルト単位、ｚ、dzは
オングストローム単位である。この間隔による電流の指
数変化により、この記憶装置は、表面形状の変化に対し
て感度がきわめて高くなる。有効バリア高さは材料に依
存する。バリア高さを0.65電子ボルト（空気中でグラフ
ァイトについて測定）、ビット高さを15オングストロー
ム、ノイズ・レベルを１オングストロームと仮定する
と、S/N比は約9000、すなわち79デシベルと計算され
る。ノイズ・レベルがこれより著しく高いか、またはバ
リア高さがこれより低い場合は、これより大きく高い分
子を用いることにより、S/N比はさらに改善される。
これは、S/N比が表面の高さの変動によって支配される
ためである。ビニヒとローラ（Binnig and Rohrer）、I
BMジャーナル・オブ・リサーチ・アンド・デベロップメ
ント（IBM Journal of Research and Development）、V
ol.30、1986年７月に報告されているように、トンネル
電流はe-fisに比例する。ただしfiはプローブと基板と
の間のトンネル効果の有効バリア高さの平方根、ｓはそ
の分離間隔である（バリア高さとは、グラファイトまた
はトンネル・プローブから電子を除去するのに必要なエ
ネルギーである）。プローブ・チップが基板を走査する
ときこの高さに保たれると、高さｚを持つビットはe
-fi(s-z)の信号を有することになる。ノイズが有効高さ
変動dzとして書き込まれると、S/N比は、S/N＝e
fi(z-dz)となる。ただしfiは電子ボルト単位、ｚ、dzは
オングストローム単位である。この間隔による電流の指
数変化により、この記憶装置は、表面形状の変化に対し
て感度がきわめて高くなる。有効バリア高さは材料に依
存する。バリア高さを0.65電子ボルト（空気中でグラフ
ァイトについて測定）、ビット高さを15オングストロー
ム、ノイズ・レベルを１オングストロームと仮定する
と、S/N比は約9000、すなわち79デシベルと計算され
る。ノイズ・レベルがこれより著しく高いか、またはバ
リア高さがこれより低い場合は、これより大きく高い分
子を用いることにより、S/N比はさらに改善される。
上記の方法を実施するために実際に用いた電圧バイア
スは約30mVであるが、10〜150mVのバイアス電圧が使用
できることに注目されたい。読取り時にはチップ11と記
憶表面30との間でこのバイアス電圧を保ち、書込み及び
選択的消去時にはこれより高い電圧のパルスを印加す
る。
スは約30mVであるが、10〜150mVのバイアス電圧が使用
できることに注目されたい。読取り時にはチップ11と記
憶表面30との間でこのバイアス電圧を保ち、書込み及び
選択的消去時にはこれより高い電圧のパルスを印加す
る。
また、グラファイト以外の導電性表面、及びフタル酸
ジ（２−エチルヘキシル）以外の流体（液体または気体
状態）も、それが記憶表面に解離可能に結合させるのに
好都合な分子を有することを条件として、記憶表面30上
にコーティングしたり、周囲環境として使用することが
可能で、たとえば、フタル酸ジメチルを使用することも
できる。
ジ（２−エチルヘキシル）以外の流体（液体または気体
状態）も、それが記憶表面に解離可能に結合させるのに
好都合な分子を有することを条件として、記憶表面30上
にコーティングしたり、周囲環境として使用することが
可能で、たとえば、フタル酸ジメチルを使用することも
できる。
最後に、以上では本発明を単一分子を選択した記憶位
置に結合させることに関して説明してきたが、使用する
流体に応じて、１個または複数の原子または分子を結合
させることが可能なことを理解されたい。したがって、
本明細書で用いる「分子」の用語は、一般に１個または
複数の原子または分子を表わすものとなる。さらに、本
発明がどのように実施されるかを示すために記述した機
構及び電気回路は単に説明のためのみと考えられたい。
本発明は、特許請求の範囲に指定した範囲にのみ限定さ
れると考えるべきではない。
置に結合させることに関して説明してきたが、使用する
流体に応じて、１個または複数の原子または分子を結合
させることが可能なことを理解されたい。したがって、
本明細書で用いる「分子」の用語は、一般に１個または
複数の原子または分子を表わすものとなる。さらに、本
発明がどのように実施されるかを示すために記述した機
構及び電気回路は単に説明のためのみと考えられたい。
本発明は、特許請求の範囲に指定した範囲にのみ限定さ
れると考えるべきではない。
F.発明の効果 以上述べたように、本発明は、平坦な記憶表面に分子
を選択的に電気化合的に結合させることにより、表面の
凹凸の形で読取り可能なデータを生成させてデータを書
き込み、上記の分子を選択的に解離させることにより、
記憶表面に損傷を与えることなくデータを消去するDASD
を提供する。
を選択的に電気化合的に結合させることにより、表面の
凹凸の形で読取り可能なデータを生成させてデータを書
き込み、上記の分子を選択的に解離させることにより、
記憶表面に損傷を与えることなくデータを消去するDASD
を提供する。
第１図は本発明を用いたデータ記憶装置の機械的構造を
示す概略図、第２図は、第１図に示す装置の一部を形成
する導電性プローブのアレイを示す拡大側面図、第３図
は、第１図の装置の一部を形成する電気回路を示す概略
図である。 10……導電性プローブのアレイ、11……プローブ・チッ
プ、12……シリコン基板、30……記憶表面、41、42……
電極、51……エンコーダ、52……書込み／消去回路、54
……AND回路、55……マイクロプロセッサ／制御回路、5
6……サーボ読取り回路／デコーダ、59……制御論理回
路、60……読取り増幅器／フィルタ、62……デコーダ。
示す概略図、第２図は、第１図に示す装置の一部を形成
する導電性プローブのアレイを示す拡大側面図、第３図
は、第１図の装置の一部を形成する電気回路を示す概略
図である。 10……導電性プローブのアレイ、11……プローブ・チッ
プ、12……シリコン基板、30……記憶表面、41、42……
電極、51……エンコーダ、52……書込み／消去回路、54
……AND回路、55……マイクロプロセッサ／制御回路、5
6……サーボ読取り回路／デコーダ、59……制御論理回
路、60……読取り増幅器／フィルタ、62……デコーダ。
フロントページの続き (72)発明者 ジエーン・エリザベス・フロムマー アメリカ合衆国カリフオルニア州モーガ ン・ヒル、キヤスル・ヒル・ドライブ 18610番地 (72)発明者 ウイリアム・アルバート・レイノール ズ、ジユニア アメリカ合衆国カリフオルニア州サン・ ホセ、キヤピトラ・アヴエニユー4562番 地
Claims (1)
- 【請求項１】トンネル電子による電気化合的な結合作用
を受ける複数の分子を含有した液晶または配列有機系の
周囲液体に接触している原子的に平坦な表面を有するグ
ラファイト基板と、 導電性プローブのチップを上記基板表面に近接した非接
触状態で上記基板に関して相対的に移動させるための手
段と、 上記チップに対向する位置における上記基板表面部分お
よび上記分子の少なくとも一方を活性化し、両者を電気
化学的に結合させるのに十分なエネルギの供給に寄与す
るためのトンネル電子を発生するように、狭小なパルス
を上記基板およびプローブ間に選択的に印加するための
手段と、 より成り、トンネル電子作用に依存して電気化学的に結
合される分子の存否による表面不規則によりデータビッ
トを表現することを特徴とするデータ記憶装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US14699988A | 1988-01-22 | 1988-01-22 | |
| US146999 | 1988-01-22 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01196751A JPH01196751A (ja) | 1989-08-08 |
| JP2557964B2 true JP2557964B2 (ja) | 1996-11-27 |
Family
ID=22519945
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP29113888A Expired - Lifetime JP2557964B2 (ja) | 1988-01-22 | 1988-11-19 | データ記憶装置 |
Country Status (2)
| Country | Link |
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- 1988-11-19 JP JP29113888A patent/JP2557964B2/ja not_active Expired - Lifetime
- 1988-12-22 EP EP19880312238 patent/EP0325056A2/en not_active Withdrawn
Also Published As
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