Magnetic Storage Media

Magnetic Storage Media
Funktionswerkstoffe im Alltag…
Motivation
fortschreitende Digitalisierung
stetig wachsender
Speicherplatzbedarf
höhere Speicherdichte
Mooresches Gesetz
superparamagnetisches Limit
Magnetic Design („Tuning“) und
neue Speicherprinzipien
strukturierte, magnetische Dünnschichten:
Patterned Magnetic Media
Speichermedien
elektronisch (Halbleiterspeicher): auf Basis von Kondensatoren
und Transistoren
– RAM
– ROM
– Flashspeicher (EEPROMS)
optisch: Topographiemessung mit einer Laserdiode
– CD
– DVD
magnetisch:
– Festplatte
– MRAM
Überblick
1956 IBM:
RAMAC
Flash-Speicher
Neue Trends…
Erzeugung von
Polymerkugel-Arrays (500 nm
Durchmesser) auf
geeignetem Substratmaterial
Kapazität ~ 10 x DVD
Schreibvorgang mit grünem
Laser
Auslesevorgang über
Reflexion rotes Licht
Starke Reflexion: 1 Bit
Schwache Reflexion: 0 Bit
Magnetische Einheiten
magnetische Hysterese
Magnetisierung durch Spin-Bahn-Kopplung
Sättigungsmagnetisierung
Remanenz
Koerzitivfeldstärke
Permeabilität
Tipler: Physik
Magnetic Design
Anisotropie
Magnetokristalline Anisotropie:
– Symmetrie des Kristallgitters
– magnetische Momente in Richtung ausgezeichneter Kristallachsen
induzierte Anisotropie:
– Vorzugsrichtung der Magnetisierung durch Tempern in Magnetfeld
Formanisotropie:
– Anisotropie auf Grund der äußeren Form
– führt zu einer Magnetisierung in der Schichtebene
Grenzflächenanisotropie:
– veränderte Kristallsymmetrie an Grenzflächen
– führt zu einer Magnetisierung senkrecht zur Schichtebene
Fe
Ni
Co
– bis zu 2nm Schichtdicke relevant
Schatt, Worsch: Werkstoffwissenschaft
Domänen
Bereiche mit gleicher Magnetisierungsrichtung: Domänen
stetige Änderung der Magnetisierung:
Blochwände
Minimierung von Streufeld-, Austauschund Anisotropieenergie:
δ=
A
≈ 30nm
K
Schaumburg: Keramik
Eindomänen-Teilchen für d<dkrit:
dkrit ≈ 80nm
Haast: Patterned magnetic thin films for ultra high density recording
Techn. Universität Braunschweig: Vorlesung Nanoelektronik
Festplatte
Albrecht, Thiele, Moser: Terabit-Speicher –
bald Realität oder nur Fiktion
granulare, magnetische Schicht
(z.B. CoPtCrB), 10-15nm dick
mittlere Korngröße etwa 10nm
viele Körner für ein Bit (50-100)
in-plane Magnetisierung
Speicherdichte: 70GBit/in2
Paetzold: Thermische Stabilität und Modifizierung der magn.
Austauschanisotropie in Schichtsystemen
GMR-Lesekopf
Spule zum Schreiben
Flughöhe: 15-20nm
35nm x 270nm - Struktur
Typische Schichtsysteme…
Flughöhe?
GMR-Effekt
Giant Magneto Resistance
bzw. Riesenmagnetwiderstand
1988 von Peter Grünberg und
Albert Fert entdeckt
in dünnen Filmen mit
abwechselnd
ferromagnetischen und
nichtmagnetischen Schichten
starker Anstieg des
elektrischen Widerstands,
wenn die Magnetschichten
entgegengesetzt polarisiert
sind gegenüber paralleler
Polarisation
Anforderungen
Stabilität gegen äußere Felder
Koerzitivfeldstärke
Wiederbeschreibbarkeit
geringe Zugriffszeiten
Auslesegeschwindigkeit
Daten auslesbar Æ Signal zu Rausch-Verhältnis
Korngröße
hohe Speicherdichte
Signal zu Rausch-Verhältnis
B 2W
B 2W
SNR ~ 2
~ 3
2
a D(1 + σ ) D (1 + σ 2 )
B: Bitlänge W: Bitbreite a: Übergangsbereich
D: Korndurchmesser σ: Streuung der Korngröße
Albrecht, Thiele, Moser: Terabit-Speicher –
bald Realität oder nur Fiktion
große Bitgröße
kleiner Übergangsbereich
kleine Körner
konstante Korngröße
Superparamagnetische Grenze
Ziel: kleinere Körner
Anisotropieenergie:
thermische Stabilität ?
H 32
E A = KV (1 −
)
H0
thermische Aktivierung: τ ~ exp(
Langzeitstabilität:
(Stoner-Wohlfarth-Partikel)
K: Anisotropiekonstante
EA
)
k BT
KV
≥ 60
k BT
aber: höheres Schreibfeld notwendig:
Erhöhung der Anisotropie
HW ~
K
MS
Magnetische Materialien
Material
Anisotropie K
MS
[Jcm-3]
[emu/cc]
HK
[kOe]
D
[nm]
14
10
heutiges Material
CoPtCrX
0,2
300
Multilayer
CoPt
1 -4
200-500
L10-Phase
FePt
7
1140
120
2,8
seltene Erden
NbFeB
4,6
1270
73
3,7
11-20
910
240-400
2,2-2,7
amorphe Materialien CoSm
Quelle: Hitachi
insbesondere Materialien mit L10-Phase und
SE-Verbindungen bieten sich als
Speichermaterialien an
Antiferromagnetische Kopplung
Antiferromagnetische Kopplung
durch dünne Ru-Schicht
Vorteile:
kleineres HW wegen geringerer
effektiver Schichtdicke
höhere thermische Stabilität
Reduktion der Streufelder
Erhöhung der Speicherdichte
um den Faktor 2
Quelle: Hitachi
Albrecht, Thiele, Moser: Terabit-Speicher –
bald Realität oder nur Fiktion
Thermisch unterstütztes Schreiben
Idee: Erniedrigung des
Schreibfeldes durch Erwärmung:
Curie-Weiss-Gesetz:
C
χ=
T − TC
∂M
χ=
∂H
Abnahme von HC
Albrecht, Thiele, Moser: Terabit-Speicher –
bald Realität oder nur Fiktion
Albrecht, Thiele, Moser: Terabit-Speicher –
bald Realität oder nur Fiktion
Probleme:
kleine Hitzequelle
T nahe TC benötigt
je größer K, desto größer auch TC
thermomagnetisches Verhalten
muss berücksichtigt werden
senkrechtes Schreiben
Quelle: Hitachi
Magnetische Momente stehen senkrecht zur Schichtebene
höhere Speicherdichte möglich (Faktor 2-7)
Patterned Magnetic Media
Patterned Magnetic Media - Quantum Disks
Idee: 1 Nanostruktur entspricht 1 Bit
Anforderungen:
eindomäniger Zustand
exakt gleiche Nanostruktur
periodische Anordnung
uniaxiale Anisotropie
kleine Strukturgröße
(1TBit/in2 entspricht 25nm x
25nm – Struktur)
keine Strukturfehler
Vorteile:
hohe Speicherdichte
höhere thermische Stabilität
kein Rauschen
kleinere Schreibfelder
Herstellung
Herstellung einer topografisch strukturierten Oberfläche
Quelle: Hitachi
Datenstruktur durch Topografie vorgegeben
Information auf „Berg“ speichern
typische Verfahren:
optische Lithografie
Elektronenstrahllithografie
Nanoimprintverfahren
Herstellung
Ziel: lokale Modifikation der magnetischen Eigenschaften
Magnetisierungsrichtung ändern
Koerzitivfeldstärke verändern
Ionenbestrahlung (He-Ionen) in einem Magnetfeld:
Änderung der magnetischen
Eigenschaften möglich
Problem: statistischer Prozess
Fassbender: Tailoring magnetism by light-ion irradiatio
Laser-Interferenz-Metallurgie I
Laser-Interferenz-Metallurgie II
lokale periodische Erwärmung
im Magnetfeld
Änderung der uniaxialen
Anisotropierichtung
Korngröße vergrößern, um
HC zu beeinflussen !
Phasenbildung
Fragen:
Welche Strukturgrößen sind
möglich?
Welche Rolle spielt die
thermische Leitfähigkeit?
Laser-Interferenz-Metallurgie III
Ausblick
selbstorganisierte Nanostrukturen bzw. Nanopartikel
Sun et al Science 87 (2000)
Millipede I
Nutze Spitzen-Prinzip des AFM‘s
hohe Datendichte möglich
Parallelschaltung: Array aus
Spitzen mit integrierter Schaltung
thermo-mechanisches
Schreiben in einen
Polymerfilm
Abbildungen: IBM
Millipede II
MRAM
Magnetoresitives-RandomAccess-Memory
Geschwindigkeit von DRAM
nicht flüchtig
kein Booten mehr
Ausblick
selbstanordnende Nanostrukturen bzw. Nanopartikel
Millipede
MRAM´s
holographische Speicher
Zusammenfassung
superparamagnetisches Limit als physikalische Grenze für die
maximal erreichbare Speicherdichte
patterned media ist eine mögliche Technologie, um diese Grenze zu
senken: 1 Bit = 1 Nanostruktur
Laser-Interferenz-Metallurgie zur Herstellung von patterned media
geeignet
Material „Design“
Quellen
http://www.hitachigst.com/hdd/research/
http://www.zurich.ibm.com/st/storage/
http://www.sns.gov/workshops/nni_05/presentations/050616_fullerto
n_eric_nni05.pdf
Albrecht, Thiele, Moser: Terabit-Speicher – bald Realität oder nur
Fiktion
Fassbender: Tailoring magnetism by light-ion irradiation
Fraune: Magnetische Anisotropie und Spintransport in
magnetoelektronischen Schichtstrukturen und Nanoteilchen
Paetzold: Thermische Stabilität und Modifizierung der magn.
Austauschanisotropie in Schichtsystemen
Haast: Patterned magnetic thin films for ultra high density recording
Aktag et al.: J.Appl.Phys.99 (2006)