Vorbereitung - Demonstratoren: alte Festplatte mitbringen.

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1 Vorbereitung - Demonstratoren: alte Festplatte mitbringen

2 Einführung in die Funktionswerkstoffe Kapitel 5d: magnetische Speichermedien
Prof. Dr. F. Mücklich, Dipl.-Ing. K. Trinh Organisatorisches: 15 min - Vorstellung - Teilnehmerliste: Name, -Adresse Welche Erwartungen an die Vorlesungen haben Sie? Welche Erwartungen habe ich?  Zusammenfassung der Ergebnisse auf Overhead Details zur Klausur: Termin festlegen 2

3 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?

4 Granulare Dünnfilme Körner ohne Anisotropie (Ni80Fe20)
mit kubischer Anisotropie (Co-fcc, Fe) mit einaxiger Anisotropie (Co-hcp) 100x100x20 nm³ 100 Körner Zufällig ausgerichtet 2D oder 3D

5 Magnetische Schreibköpfe
Warum gap? schreiben: Streufeld im Spalt ändert Magnetisierungsrichtung in Eindomänenteilchen der Disk lesen: Variation der Flussdichte induziert Spannung in Spule Anforderungen: hohe Sättigung niedrige Remanenz niedrige Hc gap = 300 nm Frage an Studenten: Warum gap?  Streufeld zum schreiben Anforderungen: hohe Sättigung  muss die Disk beschreiben können niedrige Remanenz  darf Disk nicht beschreiben, wenn keine Spannung anliegt niedrige Hc  muss leicht ummagnetisierbar sein  Weichmagnet (z.B. Al-Fe, Permalloy, amorphes Co-Zr)

6 Magnetische Schreibköpfe
gap = 300 nm Frage an Studenten: Warum gap?  Streufeld zum schreiben Anforderungen: hohe Sättigung  muss die Disk beschreiben können niedrige Remanenz  darf Disk nicht beschreiben, wenn keine Spannung anliegt niedrige Hc  muss leicht ummagnetisierbar sein  Weichmagnet (z.B. Al-Fe, Permalloy, amorphes Co-Zr)

7 Magnetische Schreibköpfe
Quantisierte Magnetplatte Magnetische Speicherzellen (MRAMs) zum bild: Antiferromagn. Kopplung When a ferromagnet is grown in a magnetic field on top of an antiferromagnet, the magnetization direction in the ferromagnet becomes unidirectionally pinned. ( grüne Schicht) Wikipedia: Exchange bias The essential physics underlying the phenomenon is the exchange interaction between the antiferromagnet and ferromagnet at their interface. Since antiferromagnets have a small or no net magnetization, their spin orientation is only weakly influenced by an externally applied magnetic field. A soft ferromagnetic film which is strongly exchange-coupled to the antiferromagnet will have its interfacial spins pinned. Reversal of the ferromagnet's moment will have an added energetic cost corresponding to the energy necessary to create a Néel domain wall within the ferromagnetic film. The added energy term implies a shift in the switching field of the ferromagnet. Thus the magnetization curve of an exchange-biased ferromagnetic film looks like that of the normal ferromagnet except that is shifted away from the H=0 axis by an amount Hb. Quantisized magnetic disks A QMD consists of discrete magnetic single domain islands uniformly embedded in a nonmagnetic disk; each island has only two possible magnetizations, equal in magnitude and opposite in direction Vorteile: hohe Speicherdichte: 65 Gbit/in.2 Nachteile: langsame Fertigung (e-beam lithogrpahie: mehrere Tage für einen münzgroßen Speicher) Magneto-resistive Random Access Memory Aufbau: freier Layer, Isolator (kann durchtunnelt werden), gepinnter Layer, antiferromgn. Pinninglayer Vorteile: nichtflüchtig langlebig schnell Nachteile: geringe Speicherdichte (20 GB/in.^2 Figure 3. [Above] Schematic illustration of a magnetic memory cell. The cell consists of a tunnel junction in which two ferromagnetic layers (e.g., cobalt) are separated by an insulator (e.g., Al2O3). The tunnel current flowing through the read line senses a resistance that depends on the relative orientation of the two magnetic layers, i.e., whether they are parallel (1) or antiparallel (0). As in the spin valve shown in Figure 1, the magnetization direction in one of the magnetic layers is pinned by exchange coupling to an antiferromagnet. The magnetization direction in the other magnetic layer can be rotated by the magnetic field of a current flowing in a nearby write line. [Figure courtesy of J. Stöhr IBM Almaden Research Center.] und (Slaughter09) The relative orientation of the magnetizations in these two layers determines the resistance of the MTJ device. When the magnetizations of the two layers are parallel, the resistance is low because the majority band electrons can tunnel into the majority band on the opposite side of the barrier. When the orientation is antiparallel, the resistance is high because the majority band has to tunnel into the minority band. MRAM devices are designed to have two stable magnetic states that correspond to the high- and low-resistance states. One ferromagnetic layer (fixed layer) is magnetically pinned so its magnetization does not change directions, whereas the other ferromagnetic layer (free layer) is switched between the two stable states.

8 Magnetische Datenspeicher
Magnetoresistiver Kopf GMR-Kopf: Material: Permalloy Effekt: Magnetoresistenz Änderung des elek. Widerstandes eines Materials durch äußeres Magnetfeld Der Anisotrope Magnetoresistive Effekt (AMR): Der Effekt wird auf eine Verzerrung der Atomorbitale durch die Spin-Ausrichtung im Magnetfeld zurückgeführt. Dadurch ändert sich deren Streuquerschnitt für Leitungselektronen und damit der Widerstand.

9 Magnetische Datenspeicher
Verwendung als Magnetband Minderung der Austausch-WW durch Zugabe von Cr Ablagerung auf KG  WW ↓  Hc↑ REM-Aufnahme: nadelförmiges -Fe2O3 mit Vorzugsorientierung, eingebettet in Epoxidharz

10 Magnetische Datenspeicher
Anforderungen: hohe Koerzivität bestimmt die minimale Bitgröße bestimmt die Speicherdichte speichermedium: Platte mit Co-Film beschichtet Additive zur Steigerung der Anisotropie und Minderung der Austauschwechselwirkung (z.B. Cr, Pt, Ta) Erhöhung der Hc Magnetischer Film: 50 nm dick KG = 50 nm Cr lagert sich zwischen den Körnern an  Minderung der Austausch-WW; Körner sind nicht gekoppelt HRTEM-Aufnahme eines Co-Cr-Pt- Dünnfilms für hochdichte Speichermedien Kornstruktur mit Textur/leichter Magnetisierungsrichtung

11 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), nm dick mittlere Korngröße etwa 10 nm viele Körner für ein Bit (50-100) in-plane Magnetisierung GMR-Lesekopf Spule zum Schreiben Flughöhe: nm Bild links dunkle Phase:Co-reich helle Phase: Cr, B  Austausch-Kopplung reduziert Das Inset zeigt die mgn. Orientierung zw. 2 entgegengesetzt mgn. Bereichen. Speicherdichte: 70 GBit/in nm x 270 nm - Struktur

12 Typische Schichtsysteme

13 Flughöhe?

14 GMR-Effekt Giant Magneto Resistance bzw. Riesenmagnetwiderstand
1988 von Peter Grünberg und Albert Fert entdeckt in dünnen Filmen mit abwechselnd ferromagnetischen und nichtmagnetischen Schichten starker Anstieg des elektrischen Widerstands, wenn die Magnetschichten entgegengesetzt polarisiert sind gegenüber paralleler Polarisation antiferromagnetische Kopplung zw. den Schichten Spins im Grundzustand antiparallel Feld des Speichermediums kann Spinorientierung ändern Veränderung des elek. Widerstandes Film: GMR

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

16 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 SNR verbessern  KG↓↓ ABER: thermische Stabilität beachten

17 Superparamagnetische Grenze
Zeichnen The physics of ultra-high-density magnetic recording  Von Martin L. Plumer,Johannes Van Ek,Dieter Weller Modell eines Speichermediums: isolierte Eindomänenteilchen mit zwei stabilen Zuständen

18 Superparamagnetische Grenze
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: Langzeitstabilität entsp. Lebensdauer von 10 Jahren Wikipedia Superparamagnetismus, auch superparamagnetischer Effekt genannt, bezeichnet die magnetischen Eigenschaften sehr kleiner Teilchen eines ferromagnetischen Materials, die auch bei Temperaturen unterhalb der Curie-Temperatur keine bleibende Magnetisierung halten. Grund für dieses Phänomen sind thermische Anregungen, durch die sich die Magnetisierungsrichtung dreht. Eine Ansammlung solcher Teilchen verhält sich daher makroskopisch wie ein Paramagnet. Im Gegensatz zu einem Paramagneten sind es nicht einzelne Atome, sondern kleine magnetische Partikel, die ihre Magnetisierungsrichtung unabhängig voneinander verändern. Superparamagnetismus tritt umso eher auf, je geringer die magnetische Anisotropie der Teilchen ist, wenn es also leicht ist (d. h. wenig Energie benötigt wird), die Magnetisierungsrichtung zu drehen. Der Effekt tritt bei Teilchengrößen bis zu ca. 10 nm auf. Die Temperatur, oberhalb derer Superparamagnetismus auftritt (bzw. unterhalb derer die Teilchen die Magnetisierung nicht verändern) wird als blocking temperature (engl.) bezeichnet. Consider an assembly of aligned uniaxial particles such as the one in Fig. 1 (b) that are first fully magnetized along the easy symmetry axis. After the field is removed, the resnlting remanence will vanish as M,=M. exp( - t/ tau), where M. is the full magnetization, t is the time after removal of the field, and T is the relaxation time for the process. The relaxation time is given by 1/ tau= f.exp(-KV/ kT), where f. is a frequency factor of the order of 109 sec-1. The source of the exponential is clear from Fig. 3(a), which shows the dependence of energy on () for this particle in zero field. To approach the zero remanence corresponding to thermal equilibrium, a sufficient number of particles must be reversed by thermal activation over the energy barrier KV, the probability of which process is proportional to exp( - KV / kT).

19 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 Probleme: kleine Hitzequelle (opt. bei 50 nm) T nahe TC benötigt je größer K, desto größer auch TC TAR: thermally assisted recording zu Hitzequelle: Zeit, in der eine Datenspur im Medium erhitzt wird, soll klein sein  Hitzequelle am besten nur so breit wie eine einzelne Datenspur

20 Thermisch unterstütztes Schreiben
Curie-Weiss-Gesetz: Albrecht, Thiele, Moser: Terabit-Speicher – bald Realität oder nur Fiktion Probleme: kleine Hitzequelle (opt. bei 50 nm) T nahe TC benötigt je größer K, desto größer auch TC T nahe Tc: gestrichelte Linie: das von einem indukt. Schreibkopf maximal erzeugte Schreibfeld  T nahe Tc bei hoch anistropen Medien Albrecht, Thiele, Moser: Terabit-Speicher – bald Realität oder nur Fiktion

21 Antiferromagnetische Kopplung
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 Quelle: Hitachi Erhöhung der Speicherdichte: Korndurchmesser verringern  Anzahl der Körner/bit = const. aber magnetische Schichtdicke erniedrigen Mrt represents the media’s tendency to demagnetize Je kleiner Mr*t, desto geringer die thermische Stabilität/desto kleiner Hc … desto höher die Speicherdichte Meff * t = Ma ta – Mb tb M – Magnetisierung t – Schichtdicke Effektive Schichtdicke kleiner als Schichtdicke von Layer A Thermische Stabilität jedoch nur durch A bestimmt  A kann dicker gemacht werden, bei gleichzeitiger Reduktion von Meff*t antiferromagnetische Kopplung zw. den Schichten erhöht thermische Stabilität Albrecht, Thiele, Moser: Terabit-Speicher – bald Realität oder nur Fiktion

22 senkrechtes Schreiben
Vorteile höhere Speicherdichte hohe Orientierung der Anisotropieachsen  therm. stabiler schärfere Bitübergänge reduziertes Rauschen Weichmgn. Unterschicht: leitet mgn. Fluss von einem zum anderen Schreibpol Nachteile: Weichmagn. + Lesekopf wirken wie mgn. Linse: empfdl. gegen ext. Störungen Quelle: Hitachi Magnetische Momente stehen senkrecht zur Schichtebene höhere Speicherdichte möglich (Faktor 2-7)

23 Magnetische Materialien
Anisotropie K [Jcm-3] MS [emu/cc] HK [kOe] D [nm] heutiges Material CoPtCrX 0,2 300 14 10 Multilayer CoPt 1-4 L10-Phase FePt 7 1140 120 2,8 seltene Erden NdFeB 4,6 1270 73 3,7 amorphe Materialien CoSm5 11-20 910 2,2-2,7 L10 – tetragonalflächenzentriert mit zwei Teilgittern AB Quelle: Hitachi insbesondere Materialien mit L10-Phase und SE-Verbindungen bieten sich als Speichermaterialien an

24 Speicherdichte von Festplatten
TMR: tunnel magnetoresistive head CPP: current perpendicular to plane TMR head funktioniert durch magnetic tunnel junctions (MTJs).  vergleiche Magnetische Datenspeicher (MRAM)

25 Patterned Magnetic Media
Idee: Ein bit = ein Nanostrukturelement normalerweise: 1 bit = viele statistisch verteilte Körner gleicher Magnetisierungsrichtung

26 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 Nachteile: Struktur schwer herstellbar Bits müssen gezielt angesteuert werden  siehe Bild: AFM wird genutzt um Bit-Struktur zu erkennen Im Labor: 200 Gb/in^2 wurden erzielt Vorteile: hohe Speicherdichte höhere thermische Stabilität kein Rauschen kleinere Schreibfelder

27 Herstellung Herstellung einer topografisch strukturierten Oberfläche
Datenstruktur durch Topografie vorgegeben Information auf „Berg“ speichern typische Verfahren: optische Lithografie Elektronenstrahllithografie Interferenzlithografie Nanoimprintverfahren Quelle: Hitachi

28 Herstellung Ziel: lokale Modifikation der magnetischen Eigenschaften
Magnetisierungsrichtung ändern Koerzitivfeldstärke verändern Ionenbestrahlung (He-Ionen) in einem Magnetfeld: Änderung der magnetischen Eigenschaften möglich Problem: statistischer Prozess Fassbender: Tailoring magnetism by light-ion irradiatio

29 Ausblick selbstorganisierte Nanostrukturen bzw. Nanopartikel
Standardabweichung der KG: < 5% Herstellung über nasschemisches Verfahren neue Idee: Anreicherung von magnetischem Material in ein Protein  auftragen auf Substrat und verkohlen des Proteins  monodisperse Nanopartikel mit 8nm Durchmesser, eingebettet in Kohlenstoffmatrix FePt monolayer, 130 nm * 130 nm; hexagonale Anordnung von monodispersen Eisenoxidpartikeln in Preteinhülle

30 Millipede I Nutze Spitzen-Prinzip des AFM‘s hohe Datendichte möglich
Parallelschaltung: Array aus Spitzen mit integrierter Schaltung Millipede: nano-Lochkarte Schreiben T=400°C: Cautilever erhitzen, Polymer schmelzen lesen T=200°C: Cautilever erwärmen und AFM-Modsu Spitze in Loch = Q↑  R(silizium)↓ thermo-mechanisches Schreiben in einen Polymerfilm Abbildungen: IBM

31 Millipede II