La magnétorésistance géante et son application aux disques durs

1. La magnétorésistance géante et son application aux disques durs R. Lardé Maître de Conférences Groupe de Physique des Matériaux UMR CNRS 6634 Université de Rouen Rodrigue.larde@univ-rouen.fr

2. A. Fert P. Grünberg PLAN DE L’EXPOSÉ I- Histoire de l’enregistrement magnétique II- La magnétorésistance géante III- Magnétorésistance et disques durs

3. I – Histoire de l’enregistrement magnétique I HISTOIRE DE L’ENREGISTREMENT MAGNETIQUE

4. I – Histoire de l’enregistrement magnétique 1880: Oberlin Smith Principes théoriques de l’enregistrement magnétique Le télégraphone 1898 : Poulsen (1869-1942) Electro-aimant Fils d’acier (corde à piano) =1mm Enregistrement magnétique de la voix

5. I – Histoire de l’enregistrement magnétique 1928 : La bande magnétique : une bande de papier "Kraft" revêtue d'une mince couche de fer. 1935 - 40: Le magnétophone à lampe amplificatrice (conception allemande) Magnétophone à bande Magnétophone à fil Jusqu’à 1950, l’enregistrement magnétique est dédié à l’enregistrement du son

6. I – Histoire de l’enregistrement magnétique 1956 : Le 1er disque dur IBM : Le RAMAC 305 50 disques en aluminium recouverts d’une couche magnétique (= 61 cm) 1200 tours par minute Capacité : 5 Mo Taux de transfert : 8Ko/s

7. I – Histoire de l’enregistrement magnétique Tête de lecture/écriture - Un seul bras de tête pour 50 plateaux - Tête pressurisée (distance disque-tête : 20 m) Pas de frottements

8. I – Histoire de l’enregistrement magnétique L’ordinateur de bureau est un peu encombrant…..

9. I – Histoire de l’enregistrement magnétique

10. - Chaque plateau possède un bras réduction des temps d’accès - Technologie des têtes volantes I – Histoire de l’enregistrement magnétique 1962 : Le RAMAC 1301 Disques en aluminium recouverts d’une couche magnétique (= 61 cm) 1800 tours par minute Capacité : 28 Mo Taux de transfert : 80Ko/s Distance disques-têtes : 6 m Bras de têtes (peigne)

11. I – Histoire de l’enregistrement magnétique Le premier disque dur amovible (1962)

12. I – Histoire de l’enregistrement magnétique 1973 : Le Winchester 3303 (IBM) Ancêtre direct des disques durs modernes Boîtier compact contenant les plateaux, les têtes et l’électronique. Capacité 30Mo

13. I – Histoire de l’enregistrement magnétique 2007 - Le prix Nobel de Physique A. Fert (1938) P. Grünberg (1939) Découverte de la magnétorésistance géante en 1988 Naissance de l’électronique de spin

14. I – Histoire de l’enregistrement magnétique Effet de magnétorésistance géante Application quasi-immédiate : Têtes de lecture ultra sensibles pour disques durs Augmention spectaculaire de la densité de stockage et réduction de la taille des systèmes

15. II– La magnétorésistance géante II LA MAGNETORESISTANCE GEANTE

16. II– La magnétorésistance géante Magnétorésistance : Variation de la résistance électrique d’un matériau provoquée par l’application d’un champ magnétique. Le champ magnétique perturbe la diffusion des électrons au sein du matériau Augmentation ou diminution de la résistance électrique Perturbations de natures différentes 4 types de magnétorésistances Anisotrope Tunnel Ordinaire Géante couplage spin orbite Force de Lorentz Diffusion dépendante du spin Forte diminution de R quand H augmente

17. II– La magnétorésistance géante Conduction électrique dans les métaux Courant électrique dans un matériau conducteur Circulation des électrons spin +1/2 "up" e- 2 types d’électrons e- spin -1/2 "down" Constitution d’un atome

18. électrons Atomes Trajectoires électroniques Vibrations des atomes (agitation thermique) Perturbation de la trajectoire des électrons (diffusion) II– La magnétorésistance géante Matériaux conducteurs Courant électrique dans un matériau conducteur Circulation des électrons I I Matériau conducteur (ex: Cu,Ag, Cr…) Résistance électrique

19. électrons atomes Moment magnétique N S Atome (ex :Fe, Co, Ni) Aimant II– La magnétorésistance géante Matériaux conducteurs ferromagnétiques I I Matériau ferromagnétique (ex: Fe, Co, Ni) Vibrations des atomes + Interaction magnétique (agitation thermique) (diffusion dépendante du spin électronique) Résistance électrique

20. -50% Cr S N 3 nm Fe Cr N S Fe 0,9 nm Cr H Résistance électrique en fonction du champ magnétique Baibich et al, Phys. Rev.Lett. 61 (1988) II– La magnétorésistance géante Découverte de la magnétorésistance géante dans un matériau multicouches Fe/Cr: empilement de couches magnétiques de Fe et de couches non magnétiques de Cr R I I Diminution de R quand H augmente

21. II– La magnétorésistance géante Multicouches magnétorésistives : mécanisme de diffusion dépendante du spin Modèle de Mott : modèle à 2 courants Conduction par deux canaux indépendants d’électrons e- spin down e- spin up

22. e- spin up I e- spin down + ( R R ) = ( ) 1 ­¯ ­­ R eq 2 II– La magnétorésistance géante En champ magnétique nul (H=0): configuration antiparallèle (résistance élevée) Fe Cr Cr Fe Cr R R I I N S R R N S Couplage antiferromagnétique, H=0

23. II– La magnétorésistance géante e- spin up I e- spin down H × × 2 R R = ( ) 2 ­¯ ­­ R eq + ( R R ) ­¯ ­­ En champ magnétique non nul (H0): configuration parallèle (résistance faible) Fe Cr Cr Fe Cr R R I I N N R R S S

24. II– La magnétorésistance géante Applications Têtes de lecture de disques durs

25. III – Magnétorésistance et disques durs III Magnétorésistance et disques durs

26. III – Magnétorésistance et disques durs Constitution d’un disque dur

27. Codage des bits 0 et 1: S N 1 0 0 1 Transition S-N ou N-S Transition N-N ou S-S Enregistrement longitudinal S N N S S N S N III – Magnétorésistance et disques durs Comment coder et stocker de l’information sur les plateaux ? Les informations vont être stockées sous forme de séquences de bits "0" et de "1". Ecriture des séquences 01001101… sur des pistes. Plateau Pistes

28. B B B B N N N S S S S S S N N N S S S N N N N N N S S S B B B B III – Magnétorésistance et disques durs Principe de lecture des données La lecture des données va se faire par détection de champ magnétique. Pour une transition N-N ou S-S Au niveau de la transition, proche de la surface champ magnétique de fuite perpendiculaire important Facilement détectable Bit "1"

29. III – Magnétorésistance et disques durs Pour une transition N-S ou S-N Au niveau de la transition, champ de fuite perpendiculaire nul Pas de détection Bit "0" Un "0" est en fait une absence de "1"

30. Tête de lecture = Détecteur de champ magnétique 1 0 0 1 La tête de lecture a fait 4 mesures aux temps t1, t2, t3 et t4 et a détecté une séquence "1 0 0 1" S N N S S N S N III – Magnétorésistance et disques durs Lecture des données par détection du champ magnétique de fuite. S N Piste magnétique Lignes de champ magnétique t 3 t4 t2 t1 Horloge commande l’ouverture de la fenêtre de mesure à intervalles de temps réguliers

31. Couche protectrice Couche magnétique Support CoCrPt 30-50 nm Al ou verre III – Magnétorésistance et disques durs Constitution des plateaux Il faut que les plateaux contiennent des petits aimants !

32. 10 nm III – Magnétorésistance et disques durs Structure de la couche magnétique Elaboration par dépôt de couches minces. Enregistrement longitudinal = Aimantations dans le plan du disque Epitaxie Grains magnétiques séparés par du Cr

33. III – Magnétorésistance et disques durs Grains magnétiques séparés pas du Cr Aimantation globale d’un grain (1 domaine magnétique) Cr Réduire le couplage magnétique entre grains

34. Courant d’écriture Transition Orientation aléatoire de l’aimantation Bobine Tête d’écriture Entrefer S N N S Longueur B Tête d’écriture = tête inductive Mr Mr Largeur W 1 bit = N grains cristallographiques Courant d’écriture I < 0 I > 0 III – Magnétorésistance et disques durs Principe d’écriture des données Plateau (couches magnétique)

35. III – Magnétorésistance et disques durs Organisation en pistes pistes 1 1 1 1 1 Espace inter-pistes Pistes W < 0,5 m

36. III – Magnétorésistance et disques durs Observation des bits de données en microscopie à force magnétique pistes Zones brillante = "1" Zones sombres = “0"

37. III – Magnétorésistance et disques durs Les têtes de lecture/écriture 3 mm Bras 4.025 mm Contacts électriques Bras Têtes Rail Epaisseur du rail 400 m Slider = Support de tête Slider Forme aérodynamique du slider Les têtes vont voler au dessus de la surface des plateaux (v ~ 120 km/h) Détermine la hauteur de vol (distance têtes-plateaux ~ 10 nm )

38. III – Magnétorésistance et disques durs Technologie de têtes volantes(Air Bearing System) têtes "Tapis d’air " slider Plateau Plateau au repos Plateau en rotation

39. III – Magnétorésistance et disques durs Lorsque les têtes s’écrasent

40. Tête d’écriture III – Magnétorésistance et disques durs Courant de lecture Courant d’écriture slider Bobine Bouclier magnétique Entrefer Tête de lecture ~ 5 m

41. III – Magnétorésistance et disques durs Tête de lecture 200 nm E. Cadel (GPM) Bouclier magnétique E. Cadel (GPM) Observation de têtes au microscope électronique Entrefer

42. III – Magnétorésistance et disques durs Disque dur en action Transfert de données d’un Cd-Rom vers le disque dur (R. Lardé, GPM UMR CNRS 6634)

43. III – Magnétorésistance et disques durs Augmentation de la densité de stockage Densité de stockage = Nombre de bits par unité de surface En 1956 : 2000 bits/Inch2 (~ 300 bits/cm2) En 2003 : 100 Gbits/Inch2 (~ 15 Gbits/cm2) Diminution de la taille des bits Prévisions : 50 Tbits/Inch2 (~ 750 Gbits/cm2)

44. Longueur l2 Largeur W2 1 bit = N2 grains cristallographiques Longueur l1 Longueur l3 Largeur W1 Largeur W3 RSB Si N 1 bit = N1 grains cristallographiques 1 bit = N1 grains cristallographiques III – Magnétorésistance et disques durs Comment faire pour diminuer la taille des bits 1 Diminution de la taille du bit par réduction du diamètre des grains 2 2 Diminution de la taille du bit par réduction du nombre de grains RSB(rapport signal sur bruit) RSB  N

45. B B B B Diminution de la taille des bits III – Magnétorésistance et disques durs On ne peut se contenter de la seule réduction de taille des bits ! Réduction de la taille des bits = diminution de l’intensité des champs de fuite détectables têtes faible gradient de champ B B B B H : hauteur de vol S S S N N N N N N S S S S S S N N N N N N S S S m m m m têtes gradient de champ important H : hauteur de vol Augmentation du bruit de fond Il faut donc réduire la hauteurde vol et augmenter la sensibilité des têtes de lecture.

46. Couche anti-ferromagnétique Couche magnétique libre Cu Cu Courant de lecture Couche anti-ferromagnétique I Couche piégée Cu Couche libre Couche piégée B III – Magnétorésistance et disques durs Des têtes de lecture plus sensibles En 1988 : Albert Fert découvre la magnétorésistance géante (MRG) Apparition des vannes de spin Un champ magnétique très faible provoque une forte variation de la résistance électrique On détecte les champs de fuite par variation de la résistance électrique.

47. III – Magnétorésistance et disques durs Détection des champ de fuites ( détection des bits "1“) Lignes de champ magnétique Vanne de spin Variation de la résistance électrique

48. III – Magnétorésistance et disques durs

49. III – Magnétorésistance et disques durs Autres technologies utilisées pour augmenter la densité de stockage : L’enregistrement perpendiculaire Les aimantations ne sont plus dans le plan des plateaux mais perpendiculaires aux plateaux. Enregistrement perpendiculaire Enregistrement longitudinal

50. III – Magnétorésistance et disques durs Evolution de la densité de stockage Densité de stockage (Gb/inch²) Années