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 !