Date post: | 05-Apr-2015 |
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Lehrstuhl Funktionswerkstoffe
Einführung in die Funktionswerkstoffe
Kapitel 5d: magnetische Speichermedien
Prof. Dr. F. Mücklich, Dipl.-Ing. K. Trinh
Einführung in die Funktionswerkstoffe3
Lehrstuhl Funktionswerkstoffe
Lernziele Kapitel 5d: magnetische Speichermedien
• Welche Arten magnetischer Speichermedien gibt es?• Wie funktioniert ein Schreib-/Lesekopf?• Was ist der GMR-Effekt?• Was ist die superparamagnetische Grenze?• Wie lässt sich die magnetische Speicherdichte erhöhen?
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Magnetische Schreibköpfe
Einführung in die Funktionswerkstoffe7
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Magnetische Schreibköpfe
Quantisierte Magnetplatte Magnetische Speicherzellen (MRAMs)
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Magnetische Datenspeicher
Magnetoresistiver Kopf
Einführung in die Funktionswerkstoffe9
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Magnetische Datenspeicher
REM-Aufnahme:nadelförmiges -Fe2O3 mit Vorzugsorientierung, eingebettet in Epoxidharz
Einführung in die Funktionswerkstoffe10
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Magnetische Datenspeicher
HRTEM-Aufnahme eines Co-Cr-Pt- Dünnfilms für hochdichte Speichermedien
Kornstruktur mit Textur/leichter Magnetisierungsrichtung
Einführung in die Funktionswerkstoffe11
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Festplatte
• granulare, magnetische Schicht (z.B. CoPtCrB), 10-15 nm dick
• mittlere Korngröße etwa 10 nm• viele Körner für ein Bit (50-100)• in-plane Magnetisierung
• GMR-Lesekopf • Spule zum Schreiben• Flughöhe: 15-20 nm
Speicherdichte: 70 GBit/in2 35 nm x 270 nm - Struktur
Paetzold: Thermische Stabilität und Modifizierung der magn. Austauschanisotropie in Schichtsystemen
Albrecht, Thiele, Moser: Terabit-Speicher – bald Realität oder nur Fiktion
Einführung in die Funktionswerkstoffe12
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Typische Schichtsysteme
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Flughöhe?
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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
Film: GMR
Einführung in die Funktionswerkstoffe15
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Anforderungen
Stabilität gegen äußere Felder
Wiederbeschreibbarkeit
geringe Zugriffszeiten
Auslesegeschwindigkeit
Daten auslesbar Signal zu Rausch-Verhältnis
hohe Speicherdichte
Koerzitivfeldstärke
Korngröße
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Signal zu Rausch-Verhältnis
)1(~)1(
~23
2
22
2
D
WB
Da
WBSNR
• große Bitgröße• kleiner Übergangsbereich• kleine Körner• konstante Korngröße
B: Bitlänge W: Bitbreite a: Übergangsbereich D: Korndurchmesser s: Streuung der Korngröße
Albrecht, Thiele, Moser: Terabit-Speicher – bald Realität oder nur Fiktion
Einführung in die Funktionswerkstoffe18
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Ziel: kleinere Körner thermische Stabilität ?
thermische Aktivierung: (Stoner-Wohlfarth-Partikel)K: AnisotropiekonstanteV: Größe des Nanopartikels
Relaxationszeit:
Zeit, die der Abbau der Remanenz durch thermische Fluktuationen in Anspruch nimmt
Langzeitstabilität: Erhöhung der Anisotropie
aber: höheres Schreibfeld notwendig:
Superparamagnetische Grenze
2
3
0
)1(H
HKVEA
)exp(~Tk
E
B
A
60Tk
KV
B
SW M
KH ~
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Thermisch unterstütztes Schreiben
Probleme:• kleine Hitzequelle (opt. bei 50 nm)• T nahe TC benötigt
• je größer K, desto größer auch TC
Idee: Erniedrigung des Schreibfeldes durch Erwärmung:
Curie-Weiss-Gesetz:
Abnahme von M
K ist aber ~ Ms(T)n, mit n >2
K fällt stärker als M
Hw nimmt ab
CTT
C
HM s Albrecht, Thiele, Moser: Terabit-Speicher – bald
Realität oder nur Fiktion
SW M
KH ~
Einführung in die Funktionswerkstoffe20
Lehrstuhl Funktionswerkstoffe
Thermisch unterstütztes Schreiben
Probleme:• kleine Hitzequelle (opt. bei 50 nm)• T nahe TC benötigt
• je größer K, desto größer auch TC
Curie-Weiss-Gesetz:
CTT
C
HM s
Albrecht, Thiele, Moser: Terabit-Speicher – bald Realität oder nur Fiktion
SW M
KH ~
Albrecht, Thiele, Moser: Terabit-Speicher – bald Realität oder nur Fiktion
Einführung in die Funktionswerkstoffe21
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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 Albrecht, Thiele, Moser: Terabit-Speicher – bald
Realität oder nur Fiktion
Quelle: Hitachi
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senkrechtes Schreiben
Magnetische Momente stehen senkrecht zur Schichtebene
höhere Speicherdichte möglich (Faktor 2-7)
Quelle: Hitachi
Einführung in die Funktionswerkstoffe23
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Magnetische Materialien
Material Anisotropie K[Jcm-3]
MS
[emu/cc]
HK
[kOe]
D[nm]
heutiges Material CoPtCrX 0,2 300 14 10
Multilayer CoPt 1-4 200-500
L10-Phase FePt 7 1140 120 2,8
seltene Erden NdFeB 4,6 1270 73 3,7
amorphe Materialien CoSm5 11-20 910 240-400 2,2-2,7Quelle: Hitachi
insbesondere Materialien mit L10-Phase und SE-Verbindungen bieten sich als Speichermaterialien an
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Speicherdichte von Festplatten
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Patterned Magnetic Media
Einführung in die Funktionswerkstoffe26
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Patterned Magnetic Media - Quantum Disks
Vorteile:• hohe Speicherdichte• höhere thermische Stabilität• kein Rauschen• kleinere Schreibfelder
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• komplexe Systemsteuer
Einführung in die Funktionswerkstoffe29
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Ausblick
selbstorganisierte Nanostrukturen bzw. Nanopartikel
FePt monolayer, 130 nm * 130 nm; hexagonale Anordnung von monodispersen
Eisenoxidpartikelnin Preteinhülle
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Millipede I
thermo-mechanisches Schreiben in einen Polymerfilm
• Nutze Spitzen-Prinzip des AFM‘s
hohe Datendichte möglich
• Parallelschaltung: Array aus Spitzen mit integrierter Schaltung
Abbildungen: IBM
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Millipede II