Nanotechnologie in der Datenspeicherung
Univ. Prof. Dr. Heinz KRENN
Institut für PhysikBereich Experimentalphysik
_______________________________________________________________Seminar Nanotechnologie, 11. Feb. 2008
Speichertechnologie
Halbleiter-Flash-Speicher
34 Gigabit / inch2
Magnetische Datenspeicherung
<200 Gigabit / inch2
Nano-Imprint-Speicher
1,2 Terabit / inch2
Giga =
109
Tera =
1012
Are
al D
ensi
ty (
Bit
s/in
ch2 )
The Increase of Magnetic Data Storage
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-BytesMovies - Digitales Video
GMR-Spin-Valve-Lesekopf
50 nm
Quellen: MRS Bulletin, May 2006, vol. 31, No. 5 IBM Research
Die Entwicklung der Speicherdichte inHard-Disk-Drives von 1984 - 2000
x 2,5von 1984 - 1990
x 170von 1990 - 2000
Wie erklärt man Magnetismus in der Schule ?
Motivation …… Datenspeicher im Handy
Existenz des Spins,(neben der Ladung) …… Magnetismus Elektrizität
Pauli-Prinzip …… Korrelationseffekte
Paradoxa …… verblüffende Effekte !
Wellennatur des Elektrons …… destruktive Interferenz
Verblüffendes Paradoxon ……
…..…..
Magnetfeld ?
Weitab von der diskreten Struktur verschwindet das Magnetfeld im Aussenraum!
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
- - - - - - - - - - - - - - - - - -
….
….
….
….
a
a
…..…..0 0 0 0 1 0 0 1 1 1
10 nm
Magnetische „Massen“-Speicher werden immer kleiner ….
16.8 Gigabyte
Marktvolumen von Disk Drives: Seit 1998: Verkauf von mehr 5 Milliarden GMR-Harddisks
Jährlicher Umsatz: 31 Milliarden US$
Derzeitige Kosten pro Gigabyte: 50 Eurocent
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 % AMR2003 62 0.25 70 12 % spin valve2005 124 0.18 50 18 % tunnel junction2008 200 0.15 35 472 % MgO-tunnel jct.
Spur-weite
GapQuelle: Hitachi Ltd.
Albert Louis François FERT
geb. 7. März 1938 in Carcassonne,Promotion École Normale Supérieure Paris,Seit 1976 Prof. f. Physik an Univ. Paris Süd
Die Nobelpreisträger für Physik 2007 …..Peter GRÜNBERG
geb. 18. Mai 1939 in PilsenPromotion TH Darmstadtseit 1972 am FZ Jülich,2004 Ruhestand
Magneto-Widerstand
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%
Strom
M(0)aturRaumtemper
R
RHR
R
R
0
0)(
M(H)
Spinpolarisation
kFR
Pauli‘ Prinzip und Austauschloch … 3-dimensional
0.5- 1 nm
0.5-1 nm
Pauli-Prinzip und Austauschkorrelation … 2-dimensional
kFR
2 nm
Austauschgekoppelte Fe/Cr/Fe-Schichten
Fe
Cr
Fe
30 Å
30 Å
H [kG]
R(H)/R0
Abnehmende Cr-Schichtdicke
18 Å
12 Å
9 Å
Wie erklärt man Schülern/innen die spin-abhängige Streuung ……….. also die Magnetowiderstandsänderung ?
Fermi-Niveau
Majoritätsträger
Minoritätsträger
Wie erklärt man Schülern/innen die spin-abhängige Streuung ……….. also die Magnetowiderstandsänderung ?
Fermi-Niveau
Spin-Valves(Spin-Filter ohne Austauschkopplung)
Co (100 Å)
Au (60 Å)
Co (200 Å)H
M
R(H)/R0
Hc1< H < Hc2 H > Hsat
Spin
Spin
Spin
Spin
De Broglie-= 0,5 nm
Freie Weglänge:5-10 nm
Magnetowiderstand
Spinabhängiger Transport (Widerstandsnetzwerk)
I groß
I klein
Magnetoresistiver Lesekopf
H
Nano-Imprint-Speichertechnologie
Millipede™-Konzept von IBM für die Nano-Imprint Speichertechnologie
Write
Sense
Polymer-Beschichtungauf Silizium
75 µm
Sense
Write
Cantilever and Tip
250 nmTip
In der Polymerschicht eingeprägte Speicherinformation
25 nm
Bilder und Animationen zur GMR-Technik
http://www.research.ibm.com/research/gmr.html
Danke !