Bereich Experimentalphysik Nanotechnologie in der Datenspeicherung Univ. Prof. Dr. Heinz KRENN Institut für Physik Bereich Experimentalphysik _______________________________________________________________ Seminar Nanotechnologie, 11. Feb. 2008

109 1012 Speichertechnologie 34 Gigabit / inch2 Halbleiter-Flash-Speicher 34 Gigabit / inch2 Giga = 109 Tera = 1012 Magnetische Datenspeicherung <200 Gigabit / inch2 Nano-Imprint-Speicher 1,2 Terabit / inch2

The Increase of Magnetic Data Storage Areal Density (Bits/inch2) Quelle: MRS Bulletin, May 2006, vol. 31, No. 5

Costs – Paper vs. Magnetic Recording Quelle: MRS Bulletin, May 2006, vol. 31, No. 5

2003 60 nm 400 Giga-Bytes GMR-Spin-Valve-Lesekopf Quellen: MRS Bulletin, May 2006, vol. 31, No. 5 IBM Research 2003 50 nm 60 nm 400 Giga-Bytes Movies - Digitales Video GMR-Spin-Valve-Lesekopf

Die Entwicklung der Speicherdichte in Hard-Disk-Drives von 1984 - 2000 x 2,5 von 1984 - 1990 x 170 von 1990 - 2000

Wie erklärt man Magnetismus in der Schule ? Motivation …… Datenspeicher im Handy Existenz des Spins, (neben der Ladung) …… Magnetismus  Elektrizität Wellennatur des Elektrons …… destruktive Interferenz Pauli-Prinzip …… Korrelationseffekte  Paradoxa …… verblüffende Effekte !

….. …. - - - - - - - - - - - - - - - - - - Verblüffendes Paradoxon …… Magnetfeld ? ….. Weitab von der diskreten Struktur verschwindet das Magnetfeld im Aussenraum! a + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - ….

10 nm ….. 0 0 0 0 1 0 0 1 1 1

Magnetische „Massen“-Speicher werden immer kleiner …. Marktvolumen von Disk Drives: Seit 1998: Verkauf von mehr 5 Milliarden GMR-Harddisks 16.8 Gigabyte Jährlicher Umsatz: 31 Milliarden US$ Derzeitige Kosten pro Gigabyte: 50 Eurocent Spur- weite Gap Quelle: Hitachi Ltd. Verdoppelung der Speicherdichte pro Jahr! Design-Revolution für Leseköpfe …. Jahr Bitdichte Spurweite „Gap“-Breite Widerstands- Typ (bits/µm2) (µm) (nm) änderung  1998 5 - 8 0.8 -1.5 200 - 250 1.5 -1.8 % AMR 2003 62 0.25 70 12 % spin valve 2005 124 0.18 50 18 % tunnel junction 2008 200 0.15 35 472 % MgO-tunnel jct.

Die Nobelpreisträger für Physik 2007 ….. Peter GRÜNBERG Albert Louis François FERT geb. 18. Mai 1939 in Pilsen Promotion TH Darmstadt seit 1972 am FZ Jülich, 2004 Ruhestand geb. 7. März 1938 in Carcassonne, Promotion École Normale Supérieure Paris, Seit 1976 Prof. f. Physik an Univ. Paris Süd

Magneto-Widerstand Strom M(H) M(0) AMR = Anisotropic Magnetoresistance (1857) 2-4% GMR = Giant Magnetoresistance (1988) 6-8% 100 % in Vielfachschichten TMR = Tunneling Magnetoresistance (1994) 20% CMR = Colossal Magnetoresistance (1993) 200-400%

Pauli‘ Prinzip und Austauschloch … 3-dimensional 0.5- 1 nm Spinpolarisation kFR 0.5-1 nm

Pauli-Prinzip und Austauschkorrelation … 2-dimensional kFR 2 nm

Austauschgekoppelte Fe/Cr/Fe-Schichten H [kG] R(H)/R0 Abnehmende Cr- Schichtdicke 18 Å 12 Å 9 Å Fe Cr 30 Å

Wie erklärt man Schülern/innen die spin-abhängige Streuung ……….. also die Magnetowiderstandsänderung ? Minoritätsträger Fermi-Niveau Majoritätsträger

Wie erklärt man Schülern/innen die spin-abhängige Streuung ……….. also die Magnetowiderstandsänderung ? Fermi-Niveau

Spin-Valves (Spin-Filter ohne Austauschkopplung) M Co (100 Å) Au (60 Å) Co (200 Å) Magnetowiderstand R(H)/R0 Hc1< H < Hc2 H > Hsat De Broglie-l = 0,5 nm Spin Spin Spin Freie Weglänge: 5-10 nm Spin

Spinabhängiger Transport (Widerstandsnetzwerk) I groß I klein

Magnetoresistiver Lesekopf H

Nano-Imprint-Speichertechnologie

Millipede™-Konzept von IBM für die Nano-Imprint Speichertechnologie W Sense Write Polymer-Beschichtung auf Silizium

Sense Write 75 µm Tip 250 nm Cantilever and Tip

In der Polymerschicht eingeprägte Speicherinformation 25 nm

Danke ! Bilder und Animationen zur GMR-Technik http://www.research.ibm.com/research/gmr.html Danke !