大型放射光施設 SPring-8

公開日

2008年03月14日

平成20年3月14日
財団法人　高輝度光科学研究センター
独立行政法人　科学技術振興機構
独立行政法人　理化学研究所
松下電器産業株式会社
国立大学法人　筑波大学

《研究の背景》
　書き換え可能な相変化光ディスクDVD-RAMは大容量のデータ記録媒体としてデジタル全盛の現代には欠かせないメモリ媒体であり、家電に、OA機器にと広く普及しています。新規な相変化材料としてGe₂Sb₂Te₅が1987年に松下電器の山田らにより提案されて以降、相変化型光記録の研究開発は急速に進み、2000年には4.7GB容量のDVD-RAMへと結実しました。
　DVD-RAMやDVD-RW等の相変化光ディスクではこのGe-Sb-Te系や、Ag-In-Sb-Te系材料で構成されるメモリ薄膜層にサブミクロンサイズの微小スポットに絞り込んだレーザー照射を行うことで、メモリ薄膜内部の 原子結合状態（物質相）を局所的かつ可逆的に変化させ、その際に生じる状態間の反射率差を利用して情報の記録再生、書き換えを行います。
　記録を行う場合は、原子が規則正しく配列した結晶相にあるメモリ薄膜層に強いレーザー光を瞬時照射しますが、その際、照射部の薄膜材料は原子配列が大きく乱れる液体状態を瞬間的に経由して、そこから超急冷されることになり、液体の乱れた状態が室温で凍結されアモルファス^*3相 となるという現象を利用しています。記録状態を再生する際は、アモルファス相が結晶化しない程度のパワーでレーザー照射し、照射部からの反射光強度の変化を検出します。また、消去する場合は、アモルファス相が融解しない程度のパワーでレーザー照射し、原子を再配列させることでメモリ薄膜層を結晶化させます。 この結晶→液体→アモルファス→結晶の相変化のサイクルを繰り返すことにより、書換可能なDVDは動作します。Ge₂Sb₂Te₅や Ag_3.5In_3.8Sb_75.0Te_17.7では相変化速度（相変化に必要なレーザー照射時間）が20ナノ秒（1億分の2秒）と短く、しかもアモルファス相は室温では数十年以上も安定であるという優れたメモリ特性を有することからこれら書換可能な相変化光ディスクの基本材料として使われてきました。ところが、その速度とくに消去速度を支配する因子は原子レベルではまだ結論が得られておらず、ましてや原子の並びが変化する瞬間を直接観測された例はありませんでした。
　そこで、この高速相変化を原子レベルで観測するため、大型放射光施設（SPring-8）を研究実施場所として、ＪＳＴ戦略的創造研究推進事業　チーム型研究（CREST）「反応現象のX線ピンポイント構造計測」（研究代表者：高田昌樹）」の研究チームが発足し、高田昌樹（（独）理化学研究所 主任研究員）、木村 滋（（財）高輝度光科学研究センター 副主席研究員）、田中義人（（独）理化学研究所　先任研究員）、山田 昇（松下電器産業（株） グループマネージャー）、守友 浩（筑波大学 教授）を中心とする産官学連携研究グループがこの問題に取り組みました。

《研究内容と成果》
　研究対象として、DVD相変化記録媒体の代表的な材料であるGe₂Sb₂Te₅とAg_3.5In_3.8Sb_75.0Te_17.7を選び、ナノ秒時間スケールで起こる消去プロセスに対応するアモルファス-結晶相変化過程のリアルタイム観察を試みました。そのために、放射光Ｘ線回折により、最速40ピコ秒の物質構造の時間変化を観測できるX線ピンポイント構造計測システムを製作しました。これは、SPring-8の放射光のパルス性^*4を利用して、DVDのモデル試料にパルスレーザーによる光記録とＸ線回折測定を、ピコ秒精度で同期して行うことができる装置です。また、DVD記録媒体は、レーザー照射による加熱により相変化を起こす材料でできています。このような試料を対象に繰り返し精密測定ができるよう、測定試料位置をワンショットごとに回転移動させて、常に新しい試料が測定位置に現れるようにできる試料台を製作し、相変化中の物質をナノ秒から数十ピコ秒の時間分解能でＸ線構造計測できるシステムを組み上げました。今回は、光学反射率も同時に測定することにより、1）レーザーによる光記録とナノレベルでの物質の構造変化が同じ時間スケールで起こっており、2）2つの材料で、「相変化直後」の結晶成長のプロセスに違いがあった、という2つの新しい発見がありました。以下は、その具体的な観測結果と得られた知見です。

1）試料台に成膜したDVD媒体用の母体材料を設置して、パルスレーザーを照射したときの結晶化過程を、時間分解Ｘ線回折法と光の反射率測定法を同時に適用して調べました。その結果、ブラッグ反射^*5強度および反射率の時間変化を時間分解能ナノ秒で測定することに成功しました(図１)。Ge₂Sb₂Te₅とAg_3.5In_3.8Sb_75.0Te_17.7について得られたブラッグ反射強度変化を図２に示します。パルスレーザーが照射されてから約百ナノ秒後に急激に結晶化が進み、300ナノ秒後にはほぼ結晶化が完了している様子がわかりました。さらに、この変化に同期するように反射率変化（つまり、データ消去）が起こっていることを世界で初めて示すことができました。

2）SPring-8のパルスX線放射光をストロボ光の様に使って、結晶化が起こっている途中の時間で撮ったＸ線回折パターンのスナップショットの時間変化を図３に示します。時間とともに、ブラック反射の強度が大きくなっていく様子を観測することができました。その際、Ge₂Sb₂Te₅とAg_3.5In_3.8Sb_75.0Te_17.7で、そのブラッグ反射のピーク幅の変化に違いが観測されました。その幅は結晶の粒径に関係しています。これらのデータを基に考えられたGe₂Sb₂Te₅およびAg_3.5In_3.8Sb_75.0Te_17.7の結晶化モデルの模式図を図４に示します。Ge₂Sb₂Te₅では、レーザー照射後、初期段階で比較的大きな結晶核ができ、その数が徐々に増えていき、全体が結晶粒で占められるのに対し、Ag_3.5In_3.8Sb_75.0Te_17.7の場合は、初期段階で細かな結晶粒が多数でき、それがつながって、全体が埋め尽くされた後も、さらに結晶粒どうしが融合して結晶粒のサイズが増大していく過程が存在するというものです。代表的な２つの高速相変化材料の間でも、その材料の違いによる、「相変化直後」の結晶成長プロセスの違いが浮き彫りになりました。

　このように、今回開発された手法により、相変化光ディスク材料における記録、消去の最中の原子レベルでの構造を調べることができ、その途中の過程について議論できるようになりました。

《今後の期待》
　本研究では、アモルファス相から結晶相への構造変化の最中を初めてＸ線回折でとらえることができました。書換型DVDの消去過程の瞬間を見たことになります。これまで、その原理が応用されていたにもかかわらず、その瞬間どのようにして結晶化が起こっているかは観測されていませんでした。今回の結果で、代表的な相変化材料であるGe₂Sb₂Te₅とAg_3.5In_3.8Sb_75.0Te_17.7の間で、その結晶化過程が異なることが明らかになりました。これらの時間分解の構造情報、つまり、材料の相変化にともなう結晶成長プロセスの特徴は、より速い、次世代の相変化材料を探索・設計する上で有用な知見を与えると期待されます。

《研究領域等》
　この研究テーマが含まれる研究領域、研究期間は以下のとおりです。

ＪＳＴ戦略的創造研究推進事業　チーム型研究（CREST）
研究領域：物質現象の解明と応用に資する新しい計測・分析基盤技術
　　　　（研究総括：田中通義　東北大学 名誉教授）
研究課題名：反応現象のX線ピンポイント構造計測
研究代表者：高田昌樹（（独）理化学研究所 主任研究員）
研究実施場所：（財）高輝度光科学研究センター  SPring-8
研究実施期間：平成16年度～平成21年度

《参考資料》

図１．（a）は高速フォトダイオードと信号処理回路を使った測定法と、スナップショットを撮る手法を表す図。(b)は、回転試料台のイメージ。

図２．ブラックピーク強度と可視光反射率の時間変化

図３．Ｘ線スナップショット撮影による回折ピーク幅の時間変化測定

図４．Ge₂Sb₂Te₅材料およびAg_3.5In_3.8Sb_75.0Te_17.7材料の相変化モデル

《用語解説》
＊1　相
物質の状態のこと。例えば、液体は液相、気体は気相とも言う。

＊2　大型放射光施設（SPring-8）
兵庫県にある大型共同利用施設。ほぼ光速で進む電子が、その進行方向を磁石などによって変えられると接線方向に電磁波が発生する。これが「放射光（シンクロ トロン放射）」と呼ばれるものであり、電子のエネルギーが高く進む方向の変化が大きいほど、Ｘ線などの短い波長の光を含むようになる。特に第三世代の大型放射光施設と呼ばれるものには、世界にSPring-8、APS（アメリカ）、ESRF（フランス）の3つがある。SPring-8（電子の加速エネルギー：80億電子ボルト）の場合、遠赤外から可視光線、真空紫外、軟X線を経て硬X線に至る幅広い波長域で放射光を得ることができ、国内外の研究者の共同利用施設として、物質科学・地球科学・生命科学・環境科学・産業利用などの幅広い分野で利用されている。

＊3　アモルファス
結晶のように三次元的に規則正しい原子配列を持たない固体物質のことを言う。非晶質とも呼ばれる。

＊4　放射光のパルス性
放射光は光速近くまで加速された電子から発生する。電子を加速するために高周波の電場が用いられており、そのために電子は固まりとなって加速されている。この電子の固まりから発生する光は、その固まりの長さを反映したパルス長をもつことになる。SPring-8の場合では、パルス幅は約40ピコ秒(１ピコ秒=１兆分の１秒)となっている。

＊5　ブラッグ反射
結晶のように周期構造をもつ物質に対して光（X線）を入射すると、周期の間隔、光の入射角、波長の3つのパラメータが特定の条件（ブラッグ条件）を満たした場合のみ、強い反射が観測される。この強い反射のピークをブラッグピークと呼び、さまざまな材料の結晶構造を解析するX線回折において、測定指標として使われている。