2-1 : A l`intérieur d`un disque dur
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La magnétorésistance géante (GMR) 1/ Histoire d’une découverte 2 / Les applications de la GMR 3/ De la magnétorésistance géante à l’électronique de spin 2 / Les applications de la GMR Capteur de champ magnétique Très sensible Taille nanométrique Fonctionnant dans une grande gamme de champ magnétique (selon les matériaux choisis) Les capteurs utilisant l’effet GMR ont conquis très vite des marchés Ils ont remplacés les capteurs basés sur l’effet AMR : anisotropic magnetoresistance Principe de la détection de champ par une vanne de spin Couche « libre » R B Couche « piégée » Couche centrale non magnétique : non représentée Quelques exemples de capteur de champ magnétique utilisant l’effet GMR 2-1 : A l’intérieur d’un disque dur : tête de lecture GMR 5 109 têtes GMR vendues de 1997 à 2007 2-2 : Détecteur de mouvement Marché 2-1 : A l’intérieur d’un disque dur 2-1 : Voyage à l’intérieur d’un disque dur IBM Ultrastar 36ZX (SCSI server disk) •10 plateaux •Capacité 36 GB •10 000 RPM 10 cm 2-1 : A l’intérieur d’un disque dur Schéma d’un disque dur Axe vertical central rotatif 4500-15000 tours/minute Plateaux circulaires rigides (Al, verre,…) supportant le dépôt de matériau magnétique Patin Actionneur positionneur de têtes Tête 1 µm disque Têtes écriture & lecture 10 cm Suspension - bras mobile Circuit électronique des têtes Patin (AlTiC,…) Châssis de montage Couche magnétique 2-1 : A l’intérieur d’un disque dur Une mécanique de précision Vitesse de rotation du disque : 10000 tours /minute vitesse = 30 m/s Rayon = 3 cm Distance tête / disque : hauteur de vol : quelques nm Echelle 1/32000 ~un Boeing 747 volant à 8mm au dessus du sol 2-1 : A l’intérieur d’un disque dur 15 nm Coupe transversale d’un disque couche lubrifiante couche protection Couche ferromagnétique (PtCo….) : support de l’information couche tampon en Cr Substrat : fin, rigide, résistant aux chocs, rugosité faible Organisation d’un disque en pistes (vue du dessus) pistes distance entre les centres de deux pistes : 160 nm 2-1 : A l’intérieur d’un disque dur La couche ferromagnétique est faite de nanoparticules Pourquoi peut-on utiliser une nanoparticule ferromagnétique pour le stockage d’une information ? En champ appliqué nul : deux états possibles z correspondant à des directions opposées du moment Mz Un champ appliqué permet de changer d’état B Bret : champ de retournement - Bret + Bret 2-1 : A l’intérieur d’un disque dur Codage de l’information le long d’une piste Information codée le long de chaque piste sous forme de bits zones de moment uniforme Dans chaque bit : quelques dizaines de nanoparticules ferromagnétiques 0 1 0 y r piste de garde 1 1 Largeur de la transition 0 Largeur du bit « track pitch » 160 nm x 40 nm 100 Gbit/in2 1 inch = 2.54 cm 1 (ou 0) correspondent en réalité à l’existence (ou non) d’un changement de direction du moment d’un bit au suivantits 2-1 : A l’intérieur d’un disque dur Ecriture bobine Ie circuit magnétique 10 nm v média Tête d’écriture : petit électro-aimant Largeur de l’entrefer 10 nm bit transition Champ appliqué B positif ou négatif 1 T B Bret Mz - Bret + Bret B 2-1 : A l’intérieur d’un disque dur Lecture U résistance du capteur Capteur de champ magnétique utilisant l’effet GMR épaisseur quelques nm 2-1 : A l’intérieur d’un disque dur Lecture Paramètres clés pour augmenter le nombre de bits / unité de surface - Distance tête milieu magnétique la plus faible possible - Epaisseur du capteur la plus faible possible - Sensibilité Δ R / Δ B la plus grande possible Les capteurs GMR ont permis d’améliorer les deux critères 2-1 : A l’intérieur d’un disque dur 5 109 tetes GMR vendues de 1997 à 2007 1997 2-1 : A l’intérieur d’un disque dur 1 byte = 8 bits 60 cm 10000 $ /Mb 1,2 m 0.05 $ /Mb 2-1 : A l’intérieur d’un disque dur Perspectives Super-paramagnetique limite !!!! 2-1 : A l’intérieur d’un disque dur Hitachi Announces 4TB Disk Drives through New Head Technology Hitachi Ltd. announced that its hard drive division is going to push way past today's storage limits to 4 terabytes for dekstop computers and 1 terabyte on laptops in 2011. Researchers at the company created the world's smallest disk drive heads in the 30nanometer to 50-nanometer range, or about 2,000 times smaller than the width of an average human hair. I The newly developed technology is named current perpendicular-to-the-plane giant magnetoresistive heads V Géométrie CPP "We changed the direction of the current and adjusted the materials to get good properties," said John Best, chief technologist for Hitachi's data-storage unit. V I Géométrie CIP 2-1 : A l’intérieur d’un disque dur : tête de lecture GMR 2-2 : Détecteur de mouvement 2 - 2 : Détecteur de mouvement 2-2 : Détecteur de mouvement Détection de véhicules La plupart des véhicules contiennent des matériaux ferromagnétiques dans leur chassis Sources de champ magnétique Capteurs de mouvements rotation translation Plusieurs fabricants : marché Partie 2 / Les applications de la GMR 1/ Histoire d’une découverte 2 / Les applications de la GMR 3/ De la magnétorésistance géante à l’électronique de spin Les jonctions tunnel et les MRAM 3 : MRAM Principe d’une jonction tunnel 1/ Un effet quantique En présence d’une différence de potentiel entre deux électrodes métalliques un électron a une certaine probabilité de passer à travers une barrière isolante I Courant non nul ! V Cours de Physique Quantique Al Al2O3 Al 2/ Lorsque les électrodes sont ferromagnétiques, l’effet tunnel dépend du spin de l’électron I V Fe MgO Fe la probabilité tunnel dépend de l’orientation -du spin de l’électron - des moments des deux couches Tunelling Magnetoresistance TMR 3 : MRAM Jonctions tunnel magnétorésistives I I Couche ferromagnétique libre V Barrière isolante Mg0 ou Al203 V Couche ferromagnétique « piégée » 100 nm Etat anti parallèle Résistance élevée Stocker 1 Etat parallèle R ap R p Rp Résistance faible Stocker 0 Al2O3 : 70 % MgO : 400% Pour passer de la configuration parallèle à antiparallèle appliquer un champ qui retourne le moment de la couche libre Couche ferromagnétique piégée 3 : MRAM Difficulté majeure : couche isolante de quelques nm sans défauts !! Image faite en microscopie électronique à transmission Yasua et al 2005 Fe / MgO / Fe R ap R p Rp 200% 3 : MRAM MRAM : écriture Appliquer un champ qui détermine l’orientation du moment de la couche libre Magnetic Random Access Memory 1 bit MRAM : lecture Mesurer la résistance Une mémoire NON volatile à faible consommation électrique Dispositif vertical bien adapté aux hautes densités Insensible aux radiations Usage spatial 3 : MRAM Ta (50 Å) Ru (50 Å) IrMn (60Å) NiFe (20Å) Al2O3 (9 Å) CoFe (20 Å) Ru (8 Å) CoFe (20 Å) PtMn (200 Å) Ta (100 Å) Élément de mémoire MRAM utilisant la TMR 2008 3 : MRAM MRAM : de la découverte aux applications 1975 : Existence d’un effet tunnel dépendant du spin à 4 K (Jullière, Rennes) : pas reproductible 1995 : Effet tunnel dépendant du spin 300 K (Moodera, MIT, USA) : 10% à 300 K reproductible CoFe/Al2O3/Co 2007 : 400 % 300 K (Co25Fe75)80B20 (4nm) / MgO (2.1nm) / (Co25Fe75)80B20 (4.3nm) 2000 – 1-kbit MRAM - SDT (IBM) 2000 – 4-Mbit MRAM - SDT (Freescale) 2004 – 16-Mbit MRAM - SDT (IBM/Infineon) 2005 – 4-kbit MRAM - Transfert de spin (Sony) 2006 – Freescale commercialise MR2A16A - 512 Ko 200 Mo/s Conclusion N. Mott : modèle à deux courants Pour le transport dans un ferromagnétique Spin valve A. Fert : preuve expérimentale dans un matériau massif 1935 1970 1988 1991 Tête de lecture GMR parallèle 1997 2007 2007 Prix Nobel A. Fert / P. Grünberg : Découverte GMR dans des multicouches Tête de lecture GMR perpendiculaire (démonstrateur) Pour en savoir plus http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2007/
