Magnetische Speicherwerkstoffe
Functional Materials - Dept. Materials Science – Saarland University
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Speichermedien
elektronisch (Halbleiterspeicher): auf Basis von Kondensatoren und Transistoren– RAM – ROM – Flashspeicher
optisch: Topographiemessung mit einer Laserdiode– CD– DVD
magnetisch: – Festplatte
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Motivation
fortschreitende Digitalisierung
stetig wachsenderSpeicherplatzbedarf
höhere Speicherdichte
Mooresches Gesetz
superparamagnetisches Limit
Magnetic Design („Tuning“) und neue Speicherprinzipien
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HM S 0 Bereiche mit gleicher
Magnetisierungsrichtung: Domänen stetige Änderung der Magnetisierung:
Blochwände Minimierung von Streufeld-, Austausch- und
Anisotropieenergie:
Eindomänen-Teilchen für d<dkrit: dkrit » 80nm
nmK
A30
Domänen
Schaumburg: Keramik
Techn. Universität Braunschweig: Vorlesung NanoelektronikHaast: Patterned magnetic thin films for ultra high density recording
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Festplatte
Paetzold: Thermische Stabilität und Modifizierung der magn. Austauschanisotropie in Schichtsystemen
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
GMR-Lesekopf Spule zum Schreiben Flughöhe: 15-20nm
Speicherdichte: 70GBit/in2 35nm x 270nm - Struktur
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Signal zu Rausch-Verhältnis
)1(~
)1(~
23
2
22
2
D
WB
Da
WBSNR
B: Bitlänge W: Bitbreite a: Übergangsbereich D: Korndurchmesser s: Streuung der Korngröße
Albrecht, Thiele, Moser: Terabit-Speicher – bald Realität oder nur Fiktion
große Bitgröße kleiner Übergangsbereich kleine Körner konstante Korngröße
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Magnetische MaterialienMaterial 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 NbFeB 4,6 1270 73 3,7
amorphe Materialien CoSm 11-20 910 240-400 2,2-2,7
insbesondere Materialien mit L10-Phase und SE-Verbindungen bieten sich als Speichermaterialien an
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Antiferromagnetische Kopplung
Antiferromagnetische Kopplung durch dünne Ru-Schicht
Vorteile: kleineres HW (write) 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
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Thermisch unterstütztes Schreiben
Idee: Erniedrigung des Schreibfeldes durch Erwärmung:
Curie-Weiss-Gesetz:
Abnahme von HC
CTT
C
H
M
Albrecht, Thiele, Moser: Terabit-Speicher – bald Realität oder nur Fiktion
Probleme: kleine Wärmequelle T nahe TC benötigt
je größer K, desto größer auch TC
thermomagnetisches Verhalten muss berücksichtigt werden
Albrecht, Thiele, Moser: Terabit-Speicher – bald Realität oder nur Fiktion
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Quelle: Hitachi
Magnetische Momente stehen senkrecht zur Schichtebene
höhere Speicherdichte möglich (Faktor 2-7)
Senkrechtes Schreiben
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CoPt-SiO2 magnetic layerCoPt-SiO2 magnetic layer
Ru interlayerRu interlayer
Seed layerSeed layer
Soft magnetic underlayerSoft magnetic underlayer
Design eines senkrechten Mediums
(a) Cross-sectional transmission electron micrograph of a typical perpendicular recording medium design. (b) Cross-sectional image of a medium design lacking an appropriate seed layer.
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Longitudinales vs. Senkrechtes Schreiben
Schematic illustration of the two modes of magnetic recording: (left) longitudinal recording and (right) perpendicular recording. In longitudinal recording the medium is written using the fringe field of the gap. In perpendicular recording, the writing is achieved by the main pole (on the right).
Demonstration of a written transition in a granular magnetic recording medium. The trasntion boundary has to follow the microstructure of the medium. The firgure depicts the most optimistic case in which the recording is within the grain size limit.
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Strukturierte magnetische Medien
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Strukturierte magnetische Medien
Idee: 1 Nanostruktur entspricht 1 Bit
Anforderungen: Eindomänen-Zustand exakt gleiche Nanostruktur periodische Anordnung uniaxiale Anisotropie kleine Strukturgröße (1TBit/in2
entspricht 25nm x 25nm – Struktur)
keine StrukturfehlerVorteile: hohe Speicherdichte höhere thermische Stabilität kein Rauschen kleinere Schreibfelder
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Herstellungsbeispiel durch Lithographie
Herstellung einer topografisch strukturierten Oberfläche
Datenstruktur durch Topografie vorgegeben
Information auf „Berg“ speichern
typische Verfahren: optische Lithografie Elektronenstrahllithografie Nanoimprintverfahren
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Optische Alternative - Millipede
Nutze Spitzen-Prinzip des AFM‘s
hohe Datendichte möglich
Parallelschaltung: Array aus
Spitzen mit integrierter Schaltung
Abbildungen: IBM
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Verlauf der Flächenspeicherdichte
Areal density of magnetic hard disks as a function of calendar year. The compounded growth rate (CGR) is indicated. MR stands for the introduction of magnetoresistance head, GMR for giant magnetoresistance head, AFC for the antiferromagnetically coupled media and PR for the perpendicular recording media.
Areal density of magnetic hard disks as a function of calendar year. The compounded growth rate (CGR) is indicated. MR stands for the introduction of magnetoresistance head, GMR for giant magnetoresistance head, AFC for the antiferromagnetically coupled media and PR for the perpendicular recording media.