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Einführung in die Funktionswerkstoffe Kapitel 5d: magnetische Speichermedien

Einführung in die Funktionswerkstoffe Kapitel 5d: magnetische Speichermedien. Prof. Dr. F. Mücklich, Dipl.-Ing. K. Trinh. Lernziele Kapitel 5d: magnetische Speichermedien. Welche Arten magnetischer Speichermedien gibt es? Wie funktioniert ein Schreib-/Lesekopf? Was ist der GMR-Effekt?

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Einführung in die Funktionswerkstoffe Kapitel 5d: magnetische Speichermedien

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Presentation Transcript

  1. Einführung in die FunktionswerkstoffeKapitel 5d: magnetische Speichermedien Prof. Dr. F. Mücklich, Dipl.-Ing. K. Trinh

  2. 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?

  3. Magnetische Schreibköpfe

  4. Magnetische Schreibköpfe Quantisierte Magnetplatte Magnetische Speicherzellen (MRAMs)

  5. Magnetische Datenspeicher Magnetoresistiver Kopf

  6. Magnetische Datenspeicher REM-Aufnahme: nadelförmiges -Fe2O3 mit Vorzugsorientierung, eingebettet in Epoxidharz

  7. Magnetische Datenspeicher HRTEM-Aufnahme eines Co-Cr-Pt- Dünnfilms für hochdichte Speichermedien Kornstruktur mit Textur/leichter Magnetisierungsrichtung

  8. 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 Festplatte Albrecht, Thiele, Moser: Terabit-Speicher – bald Realität oder nur Fiktion Paetzold: Thermische Stabilität und Modifizierung der magn. Austauschanisotropie in Schichtsystemen • GMR-Lesekopf • Spule zum Schreiben • Flughöhe: 15-20 nm Speicherdichte: 70 GBit/in235 nm x 270 nm - Struktur

  9. Typische Schichtsysteme

  10. Flughöhe?

  11. Giant Magneto Resistance bzw. Riesenmagnetwiderstand 1988 von Peter Grünberg und Albert Fert entdeckt GMR-Effekt • 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

  12. Anforderungen Stabilität gegen äußere Felder Wiederbeschreibbarkeit geringe Zugriffszeiten Auslesegeschwindigkeit Daten auslesbar  Signal zu Rausch-Verhältnis hohe Speicherdichte Koerzitivfeldstärke Korngröße

  13. große Bitgröße kleiner Übergangsbereich kleine Körner konstante Korngröße 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

  14. Ziel: kleinere Körner thermische Stabilität ? thermische Aktivierung: (Stoner-Wohlfarth-Partikel) K: Anisotropiekonstante V: 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

  15. Probleme: kleine Hitzequelle (opt. bei 50 nm) T nahe TC benötigt je größer K, desto größer auch TC Thermisch unterstütztes Schreiben • 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 Albrecht, Thiele, Moser: Terabit-Speicher – bald Realität oder nur Fiktion

  16. Probleme: kleine Hitzequelle (opt. bei 50 nm) T nahe TC benötigt je größer K, desto größer auch TC Thermisch unterstütztes Schreiben Curie-Weiss-Gesetz: Albrecht, Thiele, Moser: Terabit-Speicher – bald Realität oder nur Fiktion Albrecht, Thiele, Moser: Terabit-Speicher – bald Realität oder nur Fiktion

  17. 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 Antiferromagnetische Kopplung Quelle: Hitachi Albrecht, Thiele, Moser: Terabit-Speicher – bald Realität oder nur Fiktion

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

  19. Magnetische Materialien Quelle: Hitachi insbesondere Materialien mit L10-Phase und SE-Verbindungen bieten sich als Speichermaterialien an

  20. Speicherdichte von Festplatten

  21. Patterned Magnetic Media

  22. Vorteile: hohe Speicherdichte höhere thermische Stabilität kein Rauschen kleinere Schreibfelder Patterned Magnetic Media - Quantum Disks 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

  23. selbstorganisierte Nanostrukturen bzw. Nanopartikel Ausblick FePtmonolayer, 130 nm * 130 nm; hexagonale Anordnung von monodispersen Eisenoxidpartikeln in Preteinhülle

  24. Millipede I • Nutze Spitzen-Prinzip des AFM‘s • hohe Datendichte möglich • Parallelschaltung: Array aus Spitzen mit integrierter Schaltung thermo-mechanisches Schreiben in einen Polymerfilm Abbildungen: IBM

  25. Millipede II

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