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Magnetische Speicherwerkstoffe

Functional Materials - Dept. Materials Science – Saarland University

UniversitätdesSaarlandes

Speichermedien

elektronisch (Halbleiterspeicher): auf Basis von Kondensatoren und Transistoren– RAM – ROM – Flashspeicher

optisch: Topographiemessung mit einer Laserdiode– CD– DVD

magnetisch: – Festplatte



Motivation

fortschreitende Digitalisierung

stetig wachsenderSpeicherplatzbedarf

höhere Speicherdichte

Mooresches Gesetz

superparamagnetisches Limit

Magnetic Design („Tuning“) und neue Speicherprinzipien



HM S 0 Bereiche mit gleicher

Magnetisierungsrichtung: Domänen stetige Änderung der Magnetisierung:

Blochwände Minimierung von Streufeld-, Austausch- und

Anisotropieenergie:

Eindomänen-Teilchen für d<dkrit: dkrit » 80nm

nmK

A30

Domänen

Schaumburg: Keramik

Techn. Universität Braunschweig: Vorlesung NanoelektronikHaast: Patterned magnetic thin films for ultra high density recording



Festplatte

Paetzold: Thermische Stabilität und Modifizierung der magn. Austauschanisotropie in Schichtsystemen

Albrecht, Thiele, Moser: Terabit-Speicher – bald Realität oder nur Fiktion

granulare, magnetische Schicht (z.B. CoPtCrB), 10-15nm dick

mittlere Korngröße etwa 10nm viele Körner für ein Bit (50-100) in-plane Magnetisierung

GMR-Lesekopf Spule zum Schreiben Flughöhe: 15-20nm

Speicherdichte: 70GBit/in2 35nm x 270nm - Struktur



Signal zu Rausch-Verhältnis

)1(~

)1(~

23

2

22

2

D

WB

Da

WBSNR

B: Bitlänge W: Bitbreite a: Übergangsbereich D: Korndurchmesser s: Streuung der Korngröße


große Bitgröße kleiner Übergangsbereich kleine Körner konstante Korngröße



Magnetische MaterialienMaterial Anisotropie K

[Jcm-3]MS

[emu/cc]

HK

[kOe]

D[nm]

heutiges Material CoPtCrX 0,2 300 14 10

Multilayer CoPt 1-4 200-500

L10-Phase FePt 7 1140 120 2,8

seltene Erden NbFeB 4,6 1270 73 3,7

amorphe Materialien CoSm 11-20 910 240-400 2,2-2,7

insbesondere Materialien mit L10-Phase und SE-Verbindungen bieten sich als Speichermaterialien an



Antiferromagnetische Kopplung

Antiferromagnetische Kopplung durch dünne Ru-Schicht

Vorteile: kleineres HW (write) wegen geringerer

effektiver Schichtdicke höhere thermische Stabilität Reduktion der Streufelder

Erhöhung der Speicherdichte

um den Faktor 2!!

Quelle: Hitachi




Thermisch unterstütztes Schreiben

Idee: Erniedrigung des Schreibfeldes durch Erwärmung:

Curie-Weiss-Gesetz:

Abnahme von HC

CTT

C

H

M


Probleme: kleine Wärmequelle T nahe TC benötigt

je größer K, desto größer auch TC

thermomagnetisches Verhalten muss berücksichtigt werden




Quelle: Hitachi

Magnetische Momente stehen senkrecht zur Schichtebene

höhere Speicherdichte möglich (Faktor 2-7)

Senkrechtes Schreiben



CoPt-SiO2 magnetic layerCoPt-SiO2 magnetic layer

Ru interlayerRu interlayer

Seed layerSeed layer

Soft magnetic underlayerSoft magnetic underlayer

Design eines senkrechten Mediums

(a) Cross-sectional transmission electron micrograph of a typical perpendicular recording medium design. (b) Cross-sectional image of a medium design lacking an appropriate seed layer.



Longitudinales vs. Senkrechtes Schreiben

Schematic illustration of the two modes of magnetic recording: (left) longitudinal recording and (right) perpendicular recording. In longitudinal recording the medium is written using the fringe field of the gap. In perpendicular recording, the writing is achieved by the main pole (on the right).

Demonstration of a written transition in a granular magnetic recording medium. The trasntion boundary has to follow the microstructure of the medium. The firgure depicts the most optimistic case in which the recording is within the grain size limit.



Strukturierte magnetische Medien



Strukturierte magnetische Medien

Idee: 1 Nanostruktur entspricht 1 Bit

Anforderungen: Eindomänen-Zustand exakt gleiche Nanostruktur periodische Anordnung uniaxiale Anisotropie kleine Strukturgröße (1TBit/in2

entspricht 25nm x 25nm – Struktur)

keine StrukturfehlerVorteile: hohe Speicherdichte höhere thermische Stabilität kein Rauschen kleinere Schreibfelder



Herstellungsbeispiel durch Lithographie

Herstellung einer topografisch strukturierten Oberfläche

Datenstruktur durch Topografie vorgegeben

Information auf „Berg“ speichern

typische Verfahren: optische Lithografie Elektronenstrahllithografie Nanoimprintverfahren



Optische Alternative - Millipede

Nutze Spitzen-Prinzip des AFM‘s

hohe Datendichte möglich

Parallelschaltung: Array aus

Spitzen mit integrierter Schaltung

Abbildungen: IBM



Verlauf der Flächenspeicherdichte

Areal density of magnetic hard disks as a function of calendar year. The compounded growth rate (CGR) is indicated. MR stands for the introduction of magnetoresistance head, GMR for giant magnetoresistance head, AFC for the antiferromagnetically coupled media and PR for the perpendicular recording media.

Areal density of magnetic hard disks as a function of calendar year. The compounded growth rate (CGR) is indicated. MR stands for the introduction of magnetoresistance head, GMR for giant magnetoresistance head, AFC for the antiferromagnetically coupled media and PR for the perpendicular recording media.

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