La magnétorésistance géante et son application aux disques durs

La magnétorésistance géante et son application aux disques durs

R. LardéMaître de Conférences

Groupe de Physique des Matériaux UMR CNRS 6634Université de Rouen

[email protected]

I- Histoire de l’enregistrement magnétique

II- La magnétorésistance géante

III- Magnétorésistance et disques durs

PLAN DE L’EXPOSÉ

A. Fert P. Grünberg

I – Histoire de l’enregistrement magnétique

IHISTOIRE

DE L’ENREGISTREMENT MAGNETIQUE

1898 : Poulsen (1869-1942) Le télégraphone

Enregistrement magnétique de la voix

Fils d’acier (corde à piano)=1mm

Electro-aimant

1880: Oberlin Smith Principes théoriques 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


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


-Un seul bras de tête pour 50 plateaux

Tête de lecture/écriture

-Tête pressurisée (distance disque-tête : 20 m)

Pas de frottements


L’ordinateur de bureau est un peu encombrant..…



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)

- Chaque plateau possède un bras

- Technologie des têtes volantes

réduction des temps d’accès


Le premier disque dur amovible (1962)


1973 : Le Winchester 3303 (IBM) Ancêtre direct des disques durs modernes

Boîtier compact contenant les plateaux, les têtes et

l’électronique.

Capacité 30Mo


2007 - Le prix Nobel de Physique

A. Fert (1938) P. Grünberg (1939)

Découverte de la magnétorésistance géante en 1988Naissance de l’électronique de spin


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


II– La magnétorésistance géante

II

LA MAGNETORESISTANCE GEANTE

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

Ordinaire Anisotrope

Diffusion dépendante du spin Force de Lorentz couplage spin orbite

Forte diminution de R quand H augmente

TunnelGéante

Magnétorésistance : Variation de la résistance électrique d’un matériau provoquée par l’application d’un champ magnétique.


Courant électrique dans un matériau conducteur Circulation des électrons

Conduction électrique dans les métaux

e-

e-

spin +1/2 "up"

spin -1/2 "down"

2 types d’électrons

Constitution d’un atome


Courant électrique dans un matériau conducteur Circulation des électrons

Matériau conducteurI

Vibrations des atomes(agitation thermique)

Perturbation de la trajectoire des électrons (diffusion)

Résistance électrique

I

Trajectoires électroniques

Atomes

électrons

Matériaux conducteurs

(ex: Cu,Ag, Cr…)


Matériaux conducteurs ferromagnétiques

Matériau ferromagnétiqueI I

(ex: Fe, Co, Ni)

Moment magnétique

N

S

AimantAtome (ex :Fe, Co, Ni)

Vibrations des atomes + Interaction magnétique (agitation thermique) (diffusion dépendante du spin électronique)

atomesélectrons

Résistance électrique


Découverte de la magnétorésistance géante dans un matériau multicouches Fe/Cr: empilement de couches magnétiques de Fe et de couches non magnétiques de Cr

I

H

R

I

Diminution de R quand H augmente

Baibich et al, Phys. Rev. Lett. 61 (1988)

Résistance électrique en fonction du champ magnétique

)(

)(

0R

HR

-50%


Fe

Cr

Fe

Cr

Cr

3 nm

0,9 nm

NS

SN

Multicouches magnétorésistives : mécanisme de diffusion dépendante du

spin

Modèle de Mott : modèle à 2 courants

Conduction par deux canaux indépendants d’électrons

e- spin up e- spin down


FeCr FeCr Cr

e- spin up

e- spin down

I

I I

RR

R R

Couplage antiferromagnétique, H=0

En champ magnétique nul (H=0): configuration antiparallèle (résistance élevée)


N

S N

S

2

RRR 1

eq

)()(

FeCr FeCr Cr

e- spin up

e- spin down

I

I IR

R

R

R

En champ magnétique non nul (H0):configuration parallèle (résistance faible)


H

)(

)(

RR

RR2R 2

eq

N N

S S

Têtes de lecture de disques durs

Couche libre

Cu

Couche piégée

Couche anti-ferromagnétique

B

Courant de lecture

Couche libre

Cu

Couche piégée


B

Courant de lectureVanne de spinVanne de spin


Applications

III – Magnétorésistance et disques durs

III

Magnétorésistance et disques durs

Constitution d’un disque dur


Les informations vont être stockées sous forme de séquences de bits "0" et de "1".

Comment coder et stocker de l’information sur les plateaux ?

Ecriture des séquences 01001101… sur des pistes.

Pistes

NS

S

N

NN

S

S

00

1

S

N

1

Enregistrement longitudinal

N SS N“0”

N S N S

ou

N SS NN SS N“0”

N S N SN S N S

ou

NN SS

S SN N“1”ou

NN SS NN SS

S SN NS SN N“1”ou

Codage des bits 0 et 1:

Transition S-N ou N-S Transition N-N ou S-S

Plateau


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 surfacechamp magnétique de fuite perpendiculaire important

Facilement détectable

NN SS

BBNN SS NN SS

BBS SN N

BB

S SN NS SN N

BB

Bit "1"


Pour une transition N-S ou S-N

N S N SN S N S N SS NN SS NN SS 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"


N SS N NN SSSN

0 0 11

Piste magnétique

BB BB

Lignes de champ magnétique

Tête de lecture =

Détecteur de champ magnétique

Lecture des données par détection du champ magnétique de fuite.

Horlogecommandel’ouverture de la fenêtre de mesureà intervalles de temps réguliers

La tête de lecture a fait 4 mesures aux temps t1, t2, t3 et t4 et a détecté une séquence "1 0 0 1"

t1t2t4t 3


Support

Couche magnétique Couche protectrice

Constitution des plateaux

Il faut que les plateaux contiennent des petits aimants !

CoCrPt

Alou

verre

30-50 nm


Structure de la couche magnétique

Elaboration par dépôt de couches minces.

Enregistrement longitudinal = Aimantations dans le plan du disque

10 nm

Grains magnétiques séparés par du Cr

Epitaxie


Grains magnétiques séparés pas du Cr

Aimantation globaled’un grain

(1 domaine magnétique)

Cr Réduire le couplage magnétique entre grains


S N N S

Plateau(couches magnétique)

1 bit = N grains cristallographiques

Longueur B

Largeur W

Orientation aléatoire de l’aimantation

Tête d’écriture

TransitionTête d’écriture = tête inductive

I > 0I < 0Courant

d’écriture

BB

Entrefer

Bobine

Courant d’écriture

MrMr

Principe d’écriture des données


pistes

1 1 1 1 1

PistesW < 0,5 m

Organisation en pistes

Espaceinter-pistes


Observation des bits de données en microscopie à force magnétique

pistes

Zones brillante = "1"

Zones sombres = “0"


Les têtes de lecture/écriture

Bras

Slider

Bras

Slider=

Support de tête

3 mm

4.025 mm

Rail

Contactsélectriques

Epaisseur du rail400 m

Têtes

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 )


Technologie de têtes volantes (Air Bearing System)

Plateau au repos

Plateau en rotation

Plateau "Tapis d’air "slider

Tête

Zone de décollage

Plateau

Pistes (tracks)Bras

têtes


Lorsque les têtes s’écrasent


sliderBouclier

magnétique

Tête de lecture

BB

Entrefer

Bobine

Tête d’écriture


Courant de lecture

~ 5 m


E. Cadel (GPM)

Bouclier magnétique

Tête de lecture

200 nm

E. Cadel (GPM)

Observation de têtes au microscope électronique Entrefer


Disque dur en action

Transfert de données d’un Cd-Rom vers le disque dur

(R. Lardé, GPM UMR CNRS 6634)


Augmentation de la densité de stockage

Diminution de la taille des bits

Densité de stockage = Nombre de bits par unité de surface

En 2003 : 100 Gbits/Inch2 (~ 15 Gbits/cm2)

En 1956 : 2000 bits/Inch2 (~ 300 bits/cm2)

Prévisions : 50 Tbits/Inch2 (~ 750 Gbits/cm2)


1 bit = N1 grains cristallographiques

Longueur l1

Largeur W

1


Longueur l2

Largeur W

2


Longueur l3

Largeur W

3

Diminution de la taille du bit

par réduction du diamètredes grains

1

2

Comment faire pour diminuer la taille des bits

Diminution de la taille du bit

par réduction du nombre de grainsRSB(rapport signal sur bruit)

RSB N

Si N RSB


2

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

NN SS NN SS NN SS

BBBB

NN SS

BB

NN SS NN SS

BB

têtes

NN SS

BB

NN SS NN SS

BB

NN SS

BB

NN SS NN SS

BB

NN SS

BB

NN SS NN SS

BB

NN SS

BB

NN SS NN SS

BB

NN SS

BB

NN SS NN SS

BB

NN SS

BB

NN SS NN SS

BB

NN SS

BB

NN SS NN SS

BB

NN SS

BB

NN SS NN SS

BB

têtes

Diminution de la taille des bits

H : hauteur de vol

H : hauteur de vol

Augmentation du bruit de fond

Il faut donc réduire la hauteur de vol et augmenter la sensibilité des têtes de lecture.

mmmm

faible gradient de champ

gradient de champ important


Des têtes de lecture plus sensibles

En 1988 : Albert Fert découvre la magnétorésistance géante (MRG)

Apparition des vannes de spin

Couche libre

Cu

Couche piégée


B

Courant de lecture

Couche magnétique libreCu

Couche piégée


Cu

I

On détecte les champs de fuite par variation de la résistance électrique.

Un champ magnétique très faible provoque une forte variation de la

résistance électrique


Lignes de champ magnétique

Vanne de spin

Variation de la résistance électrique

Détection des champ de fuites ( détection des bits "1“)



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 longitudinal Enregistrement perpendiculaire


Evolution de la densité de stockage


Années

De

nsi

té d

e st

ocka

ge

(G

b/in

ch²)

RAMAC 1311 (1962)

1952 - 2008Les disques durs

Les disques durs

Fin

Diminution de la taille des bits : la limite physique du super-paramagnétisme !

Dans une nanoparticule magnétique l’orientation de l’aimantation est déterminée par l’axe d’anisotropie

-1 0 1 2 3 4

E = K.V.sin()2

m

m

Axe d’anisotropie

m

Etat stable Etat stable

Etat instable

Kv

La barrière d’énergie V

Aimantation stable pour K.V >> k.T

Si V trop faible K.V ~ kT

Fluctuation de l’aimantationpar agitation thermique

Perte de l’information stockée


Vaincre le super-paramagnétisme !

Augmentation de l’anisotropieUtilisation de matériaux magnétiquement durs (anisotropie plus forte)

Problème:

Ecriture assistée par LASER

Diminuer la température (disques à azote liquide) impensable !!

Solutions retenues

Maintenir l’aimantation stable par un couplage magnétique(piégeage)

AFC media (IBM 2001)CoCrPt

Ru

Champ d’écriture nécessaire beaucoup plus élevé


Grains magnétiquesà forte anisotropie

BB

Entrefer

Bobine


LASER

Le champ d’écriture seul n’est plus suffisant pour orienter les aimantations.

Le LASER apporte de l’énergie thermique.

Enregistrement assisté par LASER

k.T + B Retournement de l’aimantation


Autres technologies utilisées pour augmenter la densité de stockage :

Les " patterned media"

Substrat

Plots magnétiques

Substrat

Plots magnétiques

Organisation de plots FePt (forte anisotropie) sur la surface du disque

aimantation

Un seul grain (plot) par bits50 TBits/inch2


I-1.4. LE MÉCANISME : la diffusion dépendante du spin

Métaux de transition(Cu, Fe, Co…)

Evénements de diffusion :Diffusion 4s+ 4s+ pour les spin up

Diffusion 4s- 3d- pour les spin down

les électrons 4s véhiculent le courant électrique

2 canaux indépendants4s+ (spin up) et 4s- (spin down)

Modèle de Mott (1936)

M

I-

Cu

I+

R

R

M

Couche de Fe

4s

3d-

3d+

Couche Cr

4s

EF

La diffusion des électrons dépend de l’orientation du spin par rapport à l’aimantation

Retournement d’aimantation

4s

EF

MI+

Cu

I-

R

R


Couche Cr

MCouche de Fe

4s

3d-

3d+

Champ magnétique nul

Distribution aléatoire des moments magnétiques

Champ magnétique élevé

Moments magnétiques alignés avec le champ

Les 2 canaux subissent le même nombrede diffusions 4s 3d

Seul le canal de spin down subitla diffusion 4s 3d

2

RRR 1

eq

)()(

Résistance élevée

)(

)(

RR

RR2R 2

eq

Résistance faible


H

I

R R

R R

R

R

R

R

I

Documents

La magnétorésistance géante et son application aux disques durs