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Einführung in die Funktionswerkstoffe1 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Vorbereitung - Demonstratoren: alte Festplatte mitbringen.

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Präsentation zum Thema: "Einführung in die Funktionswerkstoffe1 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Vorbereitung - Demonstratoren: alte Festplatte mitbringen."—  Präsentation transkript:

1 Einführung in die Funktionswerkstoffe1 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Vorbereitung - Demonstratoren: alte Festplatte mitbringen

2 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Einführung in die Funktionswerkstoffe Kapitel 5d: magnetische Speichermedien Prof. Dr. F. Mücklich, Dipl.-Ing. K. Trinh

3 Einführung in die Funktionswerkstoffe3 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe 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 Einführung in die Funktionswerkstoffe4 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Granulare Dünnfilme 100x100x20 nm³ 100 Körner Zufällig ausgerichtet 2D oder 3D Körner ohne Anisotropie (Ni80Fe20) mit kubischer Anisotropie (Co-fcc, Fe) mit einaxiger Anisotropie (Co-hcp)

5 Einführung in die Funktionswerkstoffe5 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe 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

6 Einführung in die Funktionswerkstoffe6 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Magnetische Schreibköpfe

7 Einführung in die Funktionswerkstoffe7 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Magnetische Schreibköpfe Quantisierte Magnetplatte Magnetische Speicherzellen (MRAMs)

8 Einführung in die Funktionswerkstoffe8 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Magnetische Datenspeicher Magnetoresistiver Kopf

9 Einführung in die Funktionswerkstoffe9 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Magnetische Datenspeicher REM-Aufnahme: nadelförmiges -Fe 2 O 3 mit Vorzugsorientierung, eingebettet in Epoxidharz

10 Einführung in die Funktionswerkstoffe10 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Magnetische Datenspeicher HRTEM-Aufnahme eines Co-Cr-Pt- Dünnfilms für hochdichte Speichermedien Kornstruktur mit Textur/leichter Magnetisierungsrichtung

11 Einführung in die Funktionswerkstoffe11 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Festplatte 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 Speicherdichte: 70 GBit/in 2 35 nm x 270 nm - Struktur Paetzold: Thermische Stabilität und Modifizierung der magn. Austauschanisotropie in Schichtsystemen Albrecht, Thiele, Moser: Terabit-Speicher – bald Realität oder nur Fiktion

12 Einführung in die Funktionswerkstoffe12 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Typische Schichtsysteme

13 Einführung in die Funktionswerkstoffe13 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Flughöhe?

14 Einführung in die Funktionswerkstoffe14 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe 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 Film: GMR

15 Einführung in die Funktionswerkstoffe15 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Anforderungen Stabilität gegen äußere Felder Wiederbeschreibbarkeit geringe Zugriffszeiten Auslesegeschwindigkeit Daten auslesbar Signal zu Rausch-Verhältnis hohe Speicherdichte Koerzitivfeldstärke Korngröße

16 Einführung in die Funktionswerkstoffe16 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Signal zu Rausch-Verhältnis große Bitgröße kleiner Übergangsbereich kleine Körner konstante Korngröße B: Bitlänge W: Bitbreite a: Übergangsbereich D: Korndurchmesser : Streuung der Korngröße Albrecht, Thiele, Moser: Terabit-Speicher – bald Realität oder nur Fiktion

17 Einführung in die Funktionswerkstoffe17 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Superparamagnetische Grenze Modell eines Speichermediums: isolierte Eindomänenteilchen mit zwei stabilen Zuständen

18 Einführung in die Funktionswerkstoffe18 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe 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

19 Einführung in die Funktionswerkstoffe19 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Thermisch unterstütztes Schreiben Probleme: kleine Hitzequelle (opt. bei 50 nm) T nahe T C benötigt je größer K, desto größer auch T C Idee: Erniedrigung des Schreibfeldes durch Erwärmung: Curie-Weiss-Gesetz: Abnahme von M K ist aber ~ M s (T) n, mit n >2 K fällt stärker als M H w nimmt ab Albrecht, Thiele, Moser: Terabit-Speicher – bald Realität oder nur Fiktion

20 Einführung in die Funktionswerkstoffe20 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Thermisch unterstütztes Schreiben Probleme: kleine Hitzequelle (opt. bei 50 nm) T nahe T C benötigt je größer K, desto größer auch T C Curie-Weiss-Gesetz: Albrecht, Thiele, Moser: Terabit-Speicher – bald Realität oder nur Fiktion

21 Einführung in die Funktionswerkstoffe21 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Antiferromagnetische Kopplung Antiferromagnetische Kopplung durch dünne Ru-Schicht Vorteile: kleineres H W wegen geringerer effektiver Schichtdicke höhere thermische Stabilität Reduktion der Streufelder Erhöhung der Speicherdichte um den Faktor 2 Albrecht, Thiele, Moser: Terabit-Speicher – bald Realität oder nur Fiktion Quelle: Hitachi

22 Einführung in die Funktionswerkstoffe22 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe senkrechtes Schreiben Magnetische Momente stehen senkrecht zur Schichtebene höhere Speicherdichte möglich (Faktor 2-7) Quelle: Hitachi

23 Einführung in die Funktionswerkstoffe23 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Magnetische Materialien MaterialAnisotropie K [Jcm -3 ] M S [emu/cc] H K [kOe] D [nm] heutiges MaterialCoPtCrX0, MultilayerCoPt L1 0 -PhaseFePt ,8 seltene ErdenNdFeB4, ,7 amorphe MaterialienCoSm ,2-2,7 Quelle: Hitachi insbesondere Materialien mit L1 0 -Phase und SE- Verbindungen bieten sich als Speichermaterialien an

24 Einführung in die Funktionswerkstoffe24 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Speicherdichte von Festplatten

25 Einführung in die Funktionswerkstoffe25 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Patterned Magnetic Media

26 Einführung in die Funktionswerkstoffe26 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Patterned Magnetic Media - Quantum Disks Vorteile: hohe Speicherdichte höhere thermische Stabilität kein Rauschen kleinere Schreibfelder Idee: 1 Nanostruktur entspricht 1 Bit Anforderungen: eindomäniger Zustand exakt gleiche Nanostruktur periodische Anordnung uniaxiale Anisotropie kleine Strukturgröße (1TBit/in 2 entspricht 25nm x 25nm – Struktur) keine Strukturfehler komplexe Systemsteuer

27 Einführung in die Funktionswerkstoffe27 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Herstellung einer topografisch strukturierten Oberfläche Datenstruktur durch Topografie vorgegeben Information auf Berg speichern typische Verfahren: optische Lithografie Elektronenstrahllithografie Interferenzlithografie Nanoimprintverfahren Herstellung Quelle: Hitachi

28 Einführung in die Funktionswerkstoffe28 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Herstellung Ziel: lokale Modifikation der magnetischen Eigenschaften Magnetisierungsrichtung ändern Koerzitivfeldstärke verändern Ionenbestrahlung (He-Ionen) in einem Magnetfeld: Fassbender: Tailoring magnetism by light-ion irradiatio Änderung der magnetischen Eigenschaften möglich Problem: statistischer Prozess

29 Einführung in die Funktionswerkstoffe29 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Ausblick selbstorganisierte Nanostrukturen bzw. Nanopartikel FePt monolayer, 130 nm * 130 nm; hexagonale Anordnung von monodispersen Eisenoxidpartikeln in Preteinhülle

30 Einführung in die Funktionswerkstoffe30 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Millipede I thermo-mechanisches Schreiben in einen Polymerfilm Nutze Spitzen-Prinzip des AFMs hohe Datendichte möglich Parallelschaltung: Array aus Spitzen mit integrierter Schaltung Abbildungen: IBM

31 Einführung in die Funktionswerkstoffe31 Lehrstuhl Funktionswerkstoffe Millipede II


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