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Magnetische Speicherwerkstoffe

Magnetische Speicherwerkstoffe. Speichermedien. elektronisch (Halbleiterspeicher): auf Basis von Kondensatoren und Transistoren RAM ROM Flashspeicher optisch: Topographiemessung mit einer Laserdiode CD DVD magnetisch: Festplatte. Motivation. fortschreitende Digitalisierung

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Magnetische Speicherwerkstoffe

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  1. Magnetische Speicherwerkstoffe

  2. Speichermedien • elektronisch (Halbleiterspeicher): auf Basis von Kondensatoren und Transistoren • RAM • ROM • Flashspeicher • optisch: Topographiemessung mit einer Laserdiode • CD • DVD • magnetisch: • Festplatte

  3. Motivation fortschreitende Digitalisierung stetig wachsender Speicherplatzbedarf höhere Speicherdichte Mooresches Gesetz superparamagnetisches Limit Magnetic Design („Tuning“) und neue Speicherprinzipien

  4. Domänen • Bereiche mit gleicher Magnetisierungsrichtung: Domänen • stetige Änderung der Magnetisierung: Blochwände • Minimierung von Streufeld-, Austausch- und Anisotropieenergie: • Eindomänen-Teilchen für d<dkrit: dkrit» 80nm Schaumburg: Keramik Haast: Patterned magnetic thin films for ultra high density recording Techn. Universität Braunschweig: Vorlesung Nanoelektronik

  5. Festplatte Albrecht, Thiele, Moser: Terabit-Speicher – bald Realität oder nur Fiktion Paetzold: Thermische Stabilität und Modifizierung der magn. Austauschanisotropie in Schichtsystemen • 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

  6. Signal zu Rausch-Verhältnis 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

  7. Magnetische Materialien insbesondere Materialien mit L10-Phase und SE-Verbindungen bieten sich als Speichermaterialien an

  8. 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

  9. Thermisch unterstütztes Schreiben Idee: Erniedrigung des Schreibfeldes durch Erwärmung: Curie-Weiss-Gesetz: Abnahme von HC 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

  10. Senkrechtes Schreiben Quelle: Hitachi Magnetische Momente stehen senkrecht zur Schichtebene höhere Speicherdichte möglich (Faktor 2-7)

  11. Design eines senkrechten Mediums CoPt-SiO2 magnetic layer Ru interlayer Seed layer Soft magnetic underlayer (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.

  12. 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.

  13. Strukturierte magnetische Medien

  14. 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 Strukturfehler Vorteile: • hohe Speicherdichte • höhere thermische Stabilität • kein Rauschen • kleinere Schreibfelder

  15. Herstellungsbeispiel durch Lithographie Herstellung einer topografisch strukturierten Oberfläche Datenstruktur durch Topografie vorgegeben Information auf „Berg“ speichern typische Verfahren: • optische Lithografie • Elektronenstrahllithografie • Nanoimprintverfahren

  16. Optische Alternative - Millipede • Nutze Spitzen-Prinzip des AFM‘s hohe Datendichte möglich • Parallelschaltung: Array aus Spitzen mit integrierter Schaltung Abbildungen: IBM

  17. 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.

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