La magnétorésistance géante (GMR)

1. La magnétorésistance géante (GMR) 1/ Histoire d’une découverte 2 / Les applications de la GMR 3/ De la magnétorésistance géante à l’électronique de spin

2. Les capteurs utilisant l’effet GMR ont conquis très vite des marchés Ils ont remplacés les capteurs basés sur l’effet AMR : anisotropic magnetoresistance 2 / Les applications de la GMR Capteur de champ magnétique Très sensible Taille nanométrique Fonctionnant dans une grande gamme de champ magnétique (selon les matériaux choisis)

3. Principe de la détection de champ par une vanne de spin Couche « libre » R B B Couche « piégée » Couche centrale non magnétique : non représentée

4. Quelques exemples de capteur de champ magnétique utilisant l’effet GMR 2-1 : A l’intérieur d’un disque dur : tête de lecture GMR 5 109 têtes GMR vendues de 1997 à 2007 2-2 : Détecteur de mouvement Marché

5. 2-1 : A l’intérieur d’un disque dur 2-1 : Voyage à l’intérieur d’un disque dur • IBM Ultrastar 36ZX • (SCSI server disk) • 10 plateaux • Capacité 36 GB • 10 000 RPM 10 cm

6. 2-1 : A l’intérieur d’un disque dur Axe vertical central rotatif 4500-15000 tours/minute Plateaux circulaires rigides (Al, verre,…) supportant le dépôt de matériau magnétique Patin Actionneur positionneur de têtes Tête 1 µm disque Couche magnétique Têtes écriture & lecture Patin (AlTiC,…) Suspension - bras mobile 10 cm Châssis de montage Circuit électronique des têtes Schéma d’un disque dur

7. 2-1 : A l’intérieur d’un disque dur Une mécanique de précision Vitesse de rotation du disque : 10000 tours /minute vitesse = 30 m/s Rayon = 3 cm Echelle1/32000 ~un Boeing 747 volant à 8mm au dessus du sol Distance tête / disque : hauteur de vol : quelques nm

8. 2-1 : A l’intérieur d’un disque dur Coupe transversale d’un disque couche lubrifiante couche protection Organisation d’un disque en pistes (vue du dessus) 15 nm Couche ferromagnétique (PtCo….) : support de l’information pistes couche tampon en Cr Substrat : fin, rigide, résistant aux chocs, rugosité faible distance entre les centres de deux pistes : 160 nm

9. 2-1 : A l’intérieur d’un disque dur Mz Un champ appliqué permet de changer d’état B - Bret + Bret Bret : champ de retournement La couche ferromagnétique est faite de nanoparticules Pourquoi peut-on utiliser une nanoparticule ferromagnétique pour le stockage d’une information ? En champ appliqué nul : deux états possibles z correspondant à des directions opposées du moment

10. 2-1 : A l’intérieur d’un disque dur y piste de garde 160 nm 100 Gbit/in2 « track pitch »  40 nm x Largeur de la transition Largeur du bit r Codage de l’information le long d’une piste Information codée le long de chaque piste sous forme de bits zones de moment uniforme Dans chaque bit : quelques dizaines de nanoparticules ferromagnétiques 0 1 0 1 1 0 1 inch = 2.54 cm 1 (ou 0) correspondent en réalité à l’existence (ou non) d’un changement de direction du moment d’un bit au suivantits

11. 2-1 : A l’intérieur d’un disque dur bobine Ie circuit magnétique v média transition bit Mz Tête d’écriture : petit électro-aimant  10 nm B - Bret + Bret Ecriture Largeur de l’entrefer  10 nm Champ appliqué B positif ou négatif  1 T

12. 2-1 : A l’intérieur d’un disque dur Lecture Capteur de champ magnétique utilisant l’effet GMR U  résistance du capteur épaisseur quelques nm

13. 2-1 : A l’intérieur d’un disque dur Les capteurs GMR ont permis d’améliorer les deux critères Lecture Paramètres clés pour augmenter le nombre de bits / unité de surface - Distance tête milieu magnétique la plus faible possible - Epaisseur du capteur la plus faible possible - Sensibilité ΔR / Δ B la plus grande possible

14. 2-1 : A l’intérieur d’un disque dur 5 109 tetes GMR vendues de 1997 à 2007 1997

15. 2-1 : A l’intérieur d’un disque dur 1 byte = 8 bits 60 cm 10000 $ /Mb 1,2 m 0.05 $ /Mb

16. 2-1 : A l’intérieur d’un disque dur Perspectives Super-paramagnetique limite !!!!

17. 2-1 : A l’intérieur d’un disque dur I V Géométrie CPP V I Géométrie CIP Hitachi Announces 4TB Disk Drives through New Head Technology Hitachi Ltd. announced that its hard drive division is going to push way past today's storage limits to 4 terabytes for dekstop computers and 1 terabyte on laptops in 2011. Researchers at the company created the world's smallest disk drive heads in the 30-nanometer to 50-nanometer range, or about 2,000 times smaller than the width of an average human hair.The newly developed technology is named current perpendicular-to-the-plane giant magnetoresistive heads "We changed the direction of the current and adjusted the materials to get good properties," said John Best, chief technologist for Hitachi's data-storage unit.

18. 2-1 : A l’intérieur d’un disque dur : tête de lecture GMR 2-2 : Détecteur de mouvement

19. 2 - 2 : Détecteur de mouvement Capteurs de mouvements rotation translation Plusieurs fabricants : marché 2-2 : Détecteur de mouvement La plupart des véhicules contiennent des matériaux ferromagnétiques dans leur chassis Détection de véhicules Sources de champ magnétique

20. Partie 2 / Les applications de la GMR 1/ Histoire d’une découverte 2 / Les applications de la GMR 3/ De la magnétorésistance géante à l’électronique de spin Les jonctions tunnel et les MRAM

21. 3 : MRAM I I V V Principe d’une jonction tunnel 1/ Un effet quantique En présence d’une différence de potentiel entre deux électrodes métalliques un électron a une certaine probabilité de passer à travers une barrière isolante Cours de Physique Quantique Courant non nul ! Al Al2O3 Al 2/ Lorsque les électrodes sont ferromagnétiques, l’effet tunnel dépend du spin de l’électron • la probabilité tunnel dépend de l’orientation • du spin de l’électron • des moments des deux couches Fe MgO Fe Tunelling Magnetoresistance TMR

22. 3 : MRAM I I V V Résistance élevée Résistance faible Stocker 1 Stocker 0 Al2O3 : 70 % MgO : 400% Jonctions tunnel magnétorésistives Couche ferromagnétique libre Barrière isolante Mg0 ou Al203 Couche ferromagnétique « piégée » 100 nm Etat anti parallèle Etat parallèle Pour passer de la configuration parallèle à antiparallèle appliquer un champ qui retourne le moment de la couche libre Couche ferromagnétique piégée

23. 3 : MRAM Difficulté majeure : couche isolante de quelques nm sans défauts !! Image faite en microscopie électronique à transmission Yasua et al 2005 Fe / MgO / Fe

24. 3 : MRAM MRAM : lecture Mesurer la résistance Une mémoire NON volatile à faible consommation électrique Dispositif vertical bien adapté aux hautes densités Insensible aux radiations Usage spatial MRAM : écriture Appliquer un champ qui détermine l’orientation du moment de la couche libre MagneticRandom Access Memory 1 bit

25. 3 : MRAM Ta (50 Å) Ru (50 Å) IrMn (60Å) NiFe (20Å) Al2O3 (9 Å) CoFe (20 Å) Ru (8 Å) CoFe (20 Å) PtMn (200 Å) Ta (100 Å) Élément de mémoire MRAM utilisant la TMR 2008

26. 3 : MRAM 2000 – 1-kbit MRAM - SDT (IBM) 2000 – 4-Mbit MRAM - SDT (Freescale) 2004 – 16-Mbit MRAM - SDT (IBM/Infineon) 2005 – 4-kbit MRAM - Transfert de spin (Sony) 2006 – Freescale commercialise MR2A16A - 512 Ko 200 Mo/s MRAM : de la découverte aux applications 1975 : Existence d’un effet tunnel dépendant du spin à 4 K (Jullière, Rennes) : pas reproductible 1995 : Effet tunnel dépendant du spin 300 K (Moodera, MIT, USA) : 10% à 300 K reproductibleCoFe/Al2O3/Co 2007 : 400 % 300 K (Co25Fe75)80B20 (4nm) / MgO (2.1nm) / (Co25Fe75)80B20 (4.3nm)

27. 2007 Prix Nobel Conclusion N. Mott : modèle à deux courants Pour le transport dans un ferromagnétique Spin valve A. Fert : preuve expérimentale dans un matériau massif Tête de lecture GMR parallèle 1935 1970 1988 1991 1997 2007 A. Fert / P. Grünberg : Découverte GMR dans des multicouches Tête de lecture GMR perpendiculaire (démonstrateur) Pour en savoir plus http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2007/