Einführung in die Funktionswerkstoffe1 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Vorbereitung - Demonstratoren:...

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Einführung in die Funktionswerkstoffe

Kapitel 5d: magnetische Speichermedien

Prof. Dr. F. Mücklich, Dipl.-Ing. K. Trinh

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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

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Magnetische Schreibköpfe

Quantisierte Magnetplatte Magnetische Speicherzellen (MRAMs)

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Magnetische Datenspeicher

Magnetoresistiver Kopf

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Magnetische Datenspeicher

REM-Aufnahme:nadelförmiges -Fe2O3 mit Vorzugsorientierung, eingebettet in Epoxidharz

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Magnetische Datenspeicher

HRTEM-Aufnahme eines Co-Cr-Pt- Dünnfilms für hochdichte Speichermedien

Kornstruktur mit Textur/leichter Magnetisierungsrichtung

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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

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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

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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

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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 ~

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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

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

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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

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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

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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

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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