ΜΑΓΝΗΤΙΚΑ ΠΟΛΥΣΤΡΩΜΑΤΙΚΑ ΥΜΕΝΙΑ ΩΣ ΥΠΟΨΗΦΙΑ ΜΕΣΑ ΜΑΓΝΗΤΙΚΗΣ ΕΓΓΡΑΦΗΣ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ Δ.Π.Μ.Σ. ΝΑΝΟΕΠΙΣΤΗΜΕΣ & ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΜΑΓΝΗΤΙΚΑ ΠΟΛΥΣΤΡΩΜΑΤΙΚΑ ΥΜΕΝΙΑ ΩΣ ΥΠΟΨΗΦΙΑ ΜΕΣΑ ΜΑΓΝΗΤΙΚΗΣ ΕΓΓΡΑΦΗΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΜΑΡΙΟΣ ΚΟΨΙΔΗΣ ΦΥΣΙΚΟΣ Α.Π.Θ. ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ: ΟΡΕΣΤΗΣ ΚΑΛΟΓΗΡΟΥ ΑΝΑΠ. ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2009

2

3 ΠΕΡΙΛΗΨΗ... 1 ABSTRACT... 3 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ... 5 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 o : ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΕΓΓΡΑΦΗ Η ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΩΝ ΣΚΛΗΡΩΝ ΔΙΣΚΩΝ ΤΟ ΜΕΛΛΟΝ ΤΩΝ ΣΚΛΗΡΩΝ ΔΙΣΚΩΝ ΜΑΓΝΗΤΙΚΑ ΥΛΙΚΑ ΚΑΤΑΛΛΗΛΑ ΓΙΑ ΜΕΣΑ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ ΤΑ ΜΑΓΝΗΤΙΚΑ ΠΟΛΥΣΤΡΩΜΑΤΙΚΑ ΥΜΕΝΙΑ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΠΟΥ ΣΧΕΤΙΖΟΝΤΑΙ ΜΕ ΠΟΛΥΣΤΡΩΜΑΤΙΚΑ ΥΜΕΝΙΑ Η ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΕΝΟΣ ΠΟΛΥΣΤΡΩΜΑΤΙΚΟΥ ΥΜΕΝΙΟΥ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΠΟΛΥΣΤΡΩΜΑΤΙΚΩΝ ΥΜΕΝΙΩΝ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ Αναφορές 1 ου Κεφαλαίου ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 o : ΥΛΙΚΑ & ΔΟΜΙΚΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΥΛΙΚΩΝ ΔΟΜΙΚΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΜΕ ΑΚΤΙΝΕΣ-Χ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΣΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ PtCoCr ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ ΣΤΗΝ ΠΟΙΟΤΗΤΑ ΤΗΣ ΔΟΜΗΣ.. 59 Αναφορές 2 ου Κεφαλαίου ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 o : ΜΑΓΝΗΤΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΣΤΑΤΙΚΗΣ ΜΑΓΝΗΤΟΜΕΤΡΙΑΣ Ο ΜΑΓΝΗΤΟ-ΟΠΤΙΚΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΣΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ Pt/CoCr O ΡΟΛΟΣ ΤΗΣ ΠΡΟΣΘΗΚΗΣ Cr ΣΤΑ ΜΑΓΝΗΤΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΗ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗ ΤΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Pt/Co KAI Pt/CoCr Αναφορές 3 ου Κεφαλαίου ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Μάριος Κοψίδης-ΔΠΜΣ-Ν&Ν

4

5 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην παρούσα διπλωματική εργασία έγινε η μελέτη μαγνητικών πολυστρωματικών υμενίων Pt/CoCr και πιο συγκεκριμένα με την επίδραση της προσθήκης του Cr στη μαγνητική απόκριση του πολυστρωματικού συστήματος Pt/Co. Το σύστημα Pt/Co έχει προκαλέσει τα τελευταία δέκα χρόνια ιδιαίτερο επιστημονικό ενδιαφέρον λόγω των μαγνητικών και µαγνητο-οπτικών του χαρακτηριστικών. Ενισχυµένες τιµές µαγνήτισης, κάθετη µαγνητική ανισοτροπία (perpendicular magnetic anisotropy-pma), µεγάλες τιµές στροφής Kerr στα µικρά µήκη κύµατος µαζί µε καλή συµπεριφορά έναντι της οξείδωσης και της διάβρωσης, καθιστούν αυτό το σύστηµα υποψήφιο για εφαρµογές στις τεχνολογίες πληροφορικής ως µέσο πολύ υψηλής πυκνότητας µαγνητο-οπτικής εγγραφής. Πολλές προσπάθειες έχουν γίνει προκειμένου να βελτιωθούν τα µαγνητικά και µαγνητο-οπτικά χαρακτηριστικά των πολυστρωµατικών υµενίων Pt/Co, καθώς και να µειωθεί η θερµοκρασία Curie σε μια τάξη μεγέθους της θερµοκρασίας δωµατίου, όπως απαιτούν οι σύγχρονες τεχνολογικές εφαρµογές. Σε μια προσπάθεια βελτιστοποίησης των τεχνολογικώς αξιοποιήσιμων χαρακτηριστικών του επιλέχθηκε η προσθήκη Cr σε διάφορες αναλογίες. Χρησιμοποιούμε δηλαδή πολυστρωματικά υμένια της μορφής Pt/Co 1-x Cr x. Tο σύστημα αυτό μελετάται ως εν δυνάμει μαγνητικό μέσο μαγνητικής εγγραφής. Ο ρόλος της προσθήκης του Cr στο σύστημα είναι ο σχηματισμός ελεγχόµενων µικροδοµών µε µικρούς ασύζευκτους κρυσταλλίτες με κύριο χαρακτηριστικό τη βελτιστοποίηση της κάθετης μαγνητικής ανισοτροπίας καθώς επίσης και ορισμένων άλλων παραμέτρων όπως είναι η τετραγωνικότητα του βρόχου υστέρησης και η υψηλή τιμή του συνεκτικού πεδίου Η c. Τέλος, μελετήθηκε η επίδραση στο µέγεθος των κόκκων, το µέγεθος της διασποράς τους, παράγοντες που παίζουν καθοριστικό ρόλο στην συµπεριφορά των µαγνητικών µέσων. Τα δείγματα παρασκευάστηκαν στο εργαστήριο με τη μέθοδο της εξάτμισης με δέση ηλεκτρονίων (e-beam evaporation) σε σύστημα υπερυψηλού κενού πάνω σε υποστρώματα γυαλιού, πυριτίου και πολυϊμιδίου (kapton). Ο δομικός χαρακτηρισμός πραγματοποιήθηκε με την τεχνική της περίθλασης των ακτίνων Χ ( X Ray Diffraction, XRD). Αρχικά αναλύθηκαν τα φάσματα περίθλασης ακτίνων Χ του συστήματος Pt/CoCr και υπολογίστηκαν οι παράμετροι διαμόρφωσης των δειγμάτων. Τα δείγματα που μελετήθηκαν εμπεριείχαν δύο διαφορετικές συγκεντρώσεις, Cr 5% και 30% αντίστοιχα. Ως πρότυπο σύγκρισης χρησιμοποιήσαμε παλαιότερες μετρήσεις που έγιναν στο σύστημα PtCo. Παρατηρήθηκε επίσης, ότι όσο μεγαλώνει το πάχος των επιμέρους υλικών που συνιστούν το πολυστρωματικό υμένιο, τόσο βελτιώνεται και η ποιότητα της πολυστρωματικής διαμόρφωσης. Ακόμα, υπολογίστηκε το μέγεθος των κόκκων από τα φάσματα της περίθλασης των ακτίνων Χ και παρατηρήθηκε ότι τα δείγματα παρουσιάζουν νανοκρυσταλλικό χαρακτήρα. Ακολούθησε η μελέτη των μαγνητικών και μαγνητο-οπτικών ιδιοτήτων των δειγμάτων με μια σειρά από κατάλληλες τεχνικές. Με την μαγνητομετρία δονούμενου δείγματος (Vibrating Sample Magnetometry, VSM) καταγράφηκαν οι βρόχοι υστέρησης των δειγμάτων και έγινε ο πρωτογενής μαγνητικός χαρακτηρισμός των δειγμάτων. Στη συνέχεια με τις μετρήσεις του πολικού μαγνητο-οπτικού φαινομένου Kerr καταγράφηκαν τα ενεργειακά φάσματα της στροφής Kerr και τους βρόχους υστέρησης της στροφής Kerr. Με τις δύο αυτές τεχνικές έγινε η μελέτη της ανισοτροπίας που παρουσιάζουν τα δείγματα και την επίδραση που έχει η παρουσία των υπέρλεπτων υμενίων Cr στην πολυστρωματική διαμόρφωση. Μάριος Κοψίδης-ΔΠΜΣ-Ν&Ν Σελίδα 1

6

7 ABSTRACT In the past few years the quantity of stored information in magnetic media is increased exponentially. The 92% of produced information is stored henceforth in some type of magnetic storage devise. This increased demand led us to the study of multilayer films with concrete magnetic attributes. In the current thesis we have studied the magnetic properties of Pt/CoCr multilayers. The particular combination of materials in such structure has been presents great scientific interest for two mainly for two reasons. The first reason is the modulation of perpendicular magnetic anisotropy presented in Pt/Co magnetic multilayers together with strong magneto-optic response at higher energies. The second reason is that the CoCr combination in alloy form is currently used in magnetic recording media in a successful way since Cr role is segregation and eventual decoupling between adjacent Co grains. In an effort to combine both properties Pt/Co 1-x Cr x (x=5% and 30%) multilayer series were prepared with e-beam evaporation under ultra high vacuum conditions on substrates of glass, silicon and kapton. The structural characterization was performed by X Ray Diffraction. Initially the spectra of Pt/CoCr were analyzed and various parameters of the structural configuration were calculated. As model of comparison, we referred to previous measurements of PtCo. It was also observed, that as long as the thickness of the individual layers grew, the multilayer quality was also improving. Additionally, we calculated the size of grains from the spectra of the X-ray defraction and it was observed that the samples presented a nano-crystalline character. The subsequent steps were the study of the magnetic and magneto-optic features of the samples with a series of suitable techniques. With the Vibrating Sample Magnetometry, we recorded hysteresis loops and so we were able to outline the primary magnetic characterization of the samples. Afterwards with the measurements of magneto-optic polar Kerr effect we recorded the energy spectra of polar Kerr rotation and hysteresis loops at specific energies. With these two techniques we studied the evolution of perpendicular magnetic anisotropy that the samples exhibit and in which way the concentration of Cr affected the structure and macroscopic magnetic behaviour the multilayer. The main conclusion is that multilayer periodicity in Pt/CoCr system yields magnetic features at Cr concentrations higher than the corresponding bulk alloys and thin films and thus magnetic features (including perpendicular magnetic anisotropy) may be further tuned to meet the demands of future magnetic recording media. Μάριος Κοψίδης-ΔΠΜΣ-Ν&Ν Σελίδα 3

8

9 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Με το τέλος της διπλωματικής εργασίας νιώθω την ανάγκη να ευχαριστήσω όλους εκείνους που βοήθησαν στην ολοκλήρωση της. Ευχαριστώ πρώτα από όλους τον κ. Μ. Αγγελακέρη για την καθοδήγηση του και την πολύτιμη βοήθεια που μου προσέφερε σε όλη τη διάρκεια της εργασίας καθώς και την αμέριστη συμπαράσταση και υπομονή που έδειξε στο πρόσωπό μου. Ιδιαίτερες ευχαριστίες θα ήθελα να εκφράσω στον επιβλέποντα της εργασίας Αναπληρωτή Καθηγητή κύριο Ορέστη Καλογήρου, χωρίς την συμβολή του οποίου η εργασία θα ήταν πιο φτωχή σε περιεχόμενο αλλά και ουσία. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω τoν κο Φράγκη, μέλος της τριμελούς συμβουλευτικής επιτροπής για τις εύστοχες παρατηρήσεις και επισημάνσεις του καθόλη τη διάρκεια των σπουδών μου και κατά την εκπόνηση της διπλωματικής μου εργασίας. Ακόμα, θα ήθελα να ευχαριστήσω τους Κ. Συμεωνίδη, Σ. Μουρδικούδη και τις Κ. Gloystein, A.Vilalta-Clemente για την βοήθεια και το εξαιρετικό κλίμα συνεργασίας. Τέλος θα ήθελα να ευχαριστήσω από τα βάθη της καρδιάς μου, τους κυρίους Χαράλαμπο Καλογιάννη, Γεώργιο Μπήτιο και την κυρία Χριστίνα Βανάκου για την συμπαράσταση και στήριξή τους, όχι μόνο σε πνευματικό επίπεδο, καθ όλη την μαραθώνια εκπόνηση της εργασίας αυτής, διότι χωρίς την έντονη παρότρυνση τους δεν θα είχα το κουράγιο να την φέρω εις πέρας. Μάριος Κοψίδης-ΔΠΜΣ-Ν&Ν Σελίδα 5

10

11 Διπλωματική Εργασία Μαγνητικά πολυστρωματικά υμένια ως υποψήφια μέσα μαγνητικής εγγραφής ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 o : ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 ΜΑΓΝΗΤΙΚΗΗ ΕΓΓΡΑΦΗ Η μαγνητική αποθήκευση και η μαγνητική εγγραφή είναι όροι που προέρχονται από την μηχανική και αναφέρονται στην αποθήκευση δεδομένων σε ένα μαγνητικό μέσο. Η μαγνητική αποθήκευση χρησιμοποιεί διαφορετικούς τρόπους μαγνήτισης σε ένα υλικό που έχει τη δυνατότητα α μαγνήτισης προκειμένου να αποθηκευτούν οι πληροφορίες. Η πληροφορία αυτή μπορεί να γίνει προσβάσιμη χρησιμοποιώντας μια ή περισσότερες κεφαλές εγγραφής-ανάγνωσης. Τα μαγνητικά μέσα αποθήκευσης, κυρίως οι σκληροί δίσκοι, χρησιμοποιούνται ευρέως για αποθήκευση υπολογιστικών δεδομένων καθώς επίσης για ηχητικά και οπτικά σήματα. Στο χώρο των υπολογιστών προτιμάται η χρήση του όρου «μαγνητική αποθήκευση» ενώ στο χώρο της παραγωγής ήχου και εικόνας χρησιμοποιείται περισσότερο ο όρος «μαγνητική εγγραφή». Η διάκριση αυτή είναι περισσότερο τεχνική και όχι ουσιαστική καθώς στις σύγχρονες εφαρμογές ακολουθείται η ίδια μεθοδολογία και στις δύο περιπτώσεις. Σχήμα 1.1: Κατανομή της συνολικά αποθηκευμένης πληροφορίας σε διάφορα μέσα κατά το έτος 2003 όπου φαίνεται η κυριαρχία των μαγνητικών μέσων. [1] Η μαγνητική αποθήκευση προτάθηκε αρχικά το 1888 από τον Oberlin Smith. Η πρώτη επιτυχημένη μαγνητική εγγραφή επιτεύχθηκε το 1898 από τον Valdemar Palsen. Το 1928 ο Fritz Μάριος Κοψίδης-ΔΠΜΣ-Ν&Ν Σελίδα 7

12 Διπλωματική Εργασία Μαγνητικά πολυστρωματικά υμένια ως υποψήφια μέσα μαγνητικής εγγραφής Pfeumer κατασκεύασε την πρώτη μαγνητική ταινία εγγραφής. Οι πρώτες συσκευές μαγνητικής αποθήκευσης σχεδιάστηκαν για εγγραφή αναλογικών ηχητικών σημάτων. Οι σύγχρονες συσκευές μαγνητικής αποθήκευσης αποθηκεύουν ψηφιακά δεδομένα. Επίσης στους πρώτους υπολογιστές χρησιμοποιούνταν η μαγνητική αποθήκευση ως κύριο μέσο, υπό μορφή μαγνητικού τυμπάνουυ (core memory, core, rope memory), μνήμη λεπτών υμενίων, μνήμη twistor ή μνήμη φυσαλίδας.. Επίσης η μαγνητική ταινία χρησιμοποιούνταν συχνά ως δευτερεύουσα αποθήκευση σε αντίθεση με τους σύγχρονους υπολογιστές. Σύγχρονες τάσεις στην εγγραφή ήχου και εικόνας στην παραγωγή ταινιών επιβάλλουν χρήση ψηφιακών συστημάτων. Ως αποτέλεσμα, η χρήση σκληρών δίσκων επεκτείνεται εις βάρος των αναλογικών ταινιών Η ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΩΝ ΣΚΛΗΡΩΝ ΔΙΣΚΩΝ Ένας σκληρός δίσκος (HD), είναι μια συσκευή αποθήκευσης που αποθηκεύει τα ψηφιακά στοιχεία κωδικοποιημένα σε ταχύτατα περιστρεφόμενους δίσκους με μαγνητικές επιφάνειες. Για να κυριολεκτούμε, η έννοια του σκληρού δίσκου αναφέρεται σε μια συσκευή με διακριτά μέρη-- η δισκέτα της. Οι πρώτοι σκληροί δίσκοι είχαν μεγάλο αριθμόε κινητών τμημάτων ενώ σήμερα αποτελούνται από μια συμπαγή αεροστεγώς σφραγισμένη μονάδα. Ένας σκληρός δίσκος είναι ένας άκαμπτος δίσκος, σε αντιδιαστολή με τη δισκέτα που έχει έναν δίσκο που είναι εύκαμπτος. μηχανισμούς, όπως είναι μια κίνηση ταινιώνν και η ταινία της, ή μια κίνηση δισκετών και Σχήμα 1.2: Εσωτερική όψη ενός σκληρού δίσκου Σχήμα 1.3: Σχηματική αναπαράσταση ενός εμπορικού σκληρού δίσκου και των διαφόρων εξαρτημάτων-τμημάτων του. Οι σκληροί δίσκοι (πουυ εισήχθησαν το 1956 από την ΙΒΜ ως αποθηκευτικοί χώροι στοιχείων των υπολογιστών της) αναπτύχθηκαν αρχικά για τη χρήση με υπολογιστές. Μάριος Κοψίδης-ΔΠΜΣ-Ν&Ν Σελίδα 8

13 Στον 21ο αιώνα, οι εφαρμογές των σκληρών δίσκων έχουν επεκταθεί και πέρα από τους υπολογιστές και αφορούν και τα ψηφιακά τηλεοπτικά όργανα εγγραφής, όπως τα κινητά τηλέφωνα, τις βιντεοκάμερες, τα mp3 players και τις κονσόλες τηλεοπτικών παιχνιδιών. Το 2005 τα πρώτα κινητά τηλέφωνα που συμπεριελάμβαναν σκληρούς δίσκους δημιουργήθηκαν από τη Samsung και τη Nokia. Η ανάγκη για τη μεγάλης κλίμακας, αξιόπιστη αποθήκευση, ανεξάρτητα από μια ιδιαίτερη συσκευή, οδήγησε στην εισαγωγή διαμορφώσεων όπως οι σειρές RAID, τα συστήματα με συνδεδεμένα δίκτυα αποθήκευσης (NAS) και τα συστήματα δικτύων αποθήκευσης (storage area network systems) (SAN) που παρέχουν αποδοτική και αξιόπιστη πρόσβαση σε μεγάλους όγκους των στοιχείων. Οι σκληροί δίσκοι καταγράφουν στοιχεία μαγνητίζοντας το σιδηρομαγνητικό υλικό κατευθυντικά, προκειμένου να σχηματιστεί είτε το 0 είτε το 1 (δυαδικό σύστημα). Ειδικές κεφαλές ανάγνωσης διαβάζουν τα στοιχεία ανιχνεύοντας τη μαγνήτιση του υλικού. Ένα χαρακτηριστικό σχέδιο σκληρού δίσκου αποτελείται από έναν άξονα γύρω από τον οποίο περιστρέφονται ένας ή περισσότεροι επίπεδοι κυκλικοί δίσκοι, οι αποκαλούνται platters και επάνω στους οποίους καταγράφονται τα δεδομένα. Οι κυκλικοί αυτοί δίσκοι γίνονται από ένα μη μαγνητικό υλικό, συνήθως κράμα αργιλίου ή γυαλιού, και περιβάλλονται από ένα λεπτό στρώμα μαγνητικού υλικού. Οι παλαιότεροι δίσκοι χρησιμοποιούσαν οξείδιο σιδήρου ως μαγνητικό υλικό, αλλά οι σημερινοί δίσκοι χρησιμοποιούν ένα κράμα βασισμένο στο κοβάλτιο. Οι κυκλικοί δίσκοι περιστρέφονται με πολύ ψηλές ταχύτητες. Οι πληροφορίες γράφονται σε ένα κυκλικό δίσκο, όπως αυτός περιστρέφεται πάνω από συσκευές αποκαλούμενες κεφαλές γραφής-ανάγνωσης, οι οποίες λειτουργούν πολύ κοντά (δέκατα νανομέτρων στους νέους δίσκους) στη μαγνητική επιφάνεια. Η κεφαλή γραφής και ανάγνωσης χρησιμοποιείται για να ανιχνεύσει και να τροποποιήσει τη μαγνήτιση του υλικού που βρίσκεται ακριβώς κάτω από αυτήν. Υπάρχει μία κεφαλή για κάθε μαγνητική επιφάνεια του κυκλικού δίσκου στον άξονα, η οποία τοποθετείται σε έναν κοινό βραχίονα. Ένας βραχίονας ενεργοποιητών (ή αλλιώς, βραχίονας πρόσβασης) κινεί τις κεφαλές σε ένα τόξο (κατά προσέγγιση ακτινωτά) κατά μήκος των κυκλικών δίσκων καθώς αυτοί περιστρέφονται, επιτρέποντας σε κάθε κεφαλή να έχει πρόσβαση σχεδόν σε ολόκληρη την επιφάνεια του δίσκου καθώς αυτό περιστρέφεται. Ο βραχίονας κινείται χρησιμοποιώντας έναν ηχητικό ενεργοποιητή (voice coil) ή (στα παλαιότερα σχέδια) ένα βηματικό κινητήρα. Οι παλαιότεροι δίσκοι διαβάζουν τα στοιχεία όσον αφορά τον κάθε κυκλικό δίσκο με την λογική του ποσοστού αλλαγής του μαγνητισμού στην κεφαλή. Αυτές οι κεφαλές είχαν μικρές σπείρες, και λειτουργούσαν (σε γενικές γραμμές) όπως η μαγνητική ταινία στις κεφαλές αναπαραγωγής ήχου, αν και δεν έρχονταν σε επαφή με την επιφάνεια εγγραφής. Δεδομένου ότι η πυκνότητα στοιχείων αυξήθηκε, άρχισαν να αξιοποιούνται οι κεφαλές ανάγνωσης που χρησιμοποιούσαν μαγνητοαντίσταση (MR). Η ηλεκτρική αντίσταση της κεφαλής άλλαζε σύμφωνα Μάριος Κοψίδης-ΔΠΜΣ-Ν&Ν Σελίδα 9

14 Διπλωματική Εργασία Μαγνητικά πολυστρωματικά υμένια Η μαγνητική επιφάνεια κάθε κυκλικού δίσκου διαιρείται σε πολλές μικρές ταξινομημένες μαγνητικές περιοχές μεγέθους κάτω των μικρομέτρων, κάθε μια από τις οποίες χρησιμοποιείται για να κωδικοποιήσει μια ενιαία δυαδική μονάδα πληροφοριών. Στους σημερινούς σκληρούς δίσκους κάθε μια από αυτές τις μαγνητικές περιοχές αποτελείται από μερικές εκατοντάδες μαγνητικούς κόκκους. Κάθε μαγνητική περιοχή διαμορφώνει ένα μαγνητικό δίπολο που παράγει ένα ιδιαίτεραα εντοπισμένο μαγνητικό πεδίο σε κοντινή απόσταση. Η κεφαλή ανάγνωσης μαγνητίζει μια περιοχή με το να παραγάγει ένα ισχυρό τοπικό μαγνητικό πεδίο κοντινής εμβέλειας. Αρχικά, οι σκληροί δίσκοι χρησιμοποιούσαν έναν ηλεκτρομαγνήτη και για να παραγάγουν αυτόν τον τομέα και για να διαβάσουν τα στοιχεία με τη χρήση της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής. Οι πιο πρόσφατες εκδόσεις των επαγωγικών κεφαλών περιέλαβαν μέταλλο στις κεφαλές χάσματος (MIG) και τις κεφαλές λεπτών ταινιών. Στις σημερινές κεφαλές, τα στοιχεία γραφής και ανάγνωσης είναι διαφορετικά-- ως υποψήφια μέσα μαγνητικής εγγραφής με το μέγεθος της μαγνήτισης του κυκλικού δίσκου. Τελευταία έγινε χρήση των spintronics. Σε αυτές τις κεφαλές, η επίδραση της μαγνητοαντίστασης ήταν συγκριτικά τεράστια, σε σχέση με αυτή των προηγούμενων τύπων, και μεταφράστηκε σε "γιγαντιαία" μαγνητοαντίσταση (GMR), αναφερόμενη στο βαθμό της επίδρασης και όχι στο φυσικό μέγεθος των κεφαλών. Οι ίδιες άλλωστε οι κεφαλές είναι εξαιρετικά μικροσκοπικές, σε βαθμό που δεν μπορούν να γίνουν αντιληπτές χωρίς ένα μικροσκόπιο. Οι κεφαλές ανάγνωσης γιγαντιαίας μαγνητοαντίστασης αποτελούν πλέον τη μοναδική μέθοδο ανάγνωσης εγγραφής στα μαγνητικά μέσα αποθήκευσης. Οι κεφαλές των σκληρών δίσκων διατηρούν την επαφή τους με την επιφάνεια του δίσκου μέσω του αέρα που βρίσκεται εγκλωβισμένος εξαιρετικά κοντά στον δίσκο. Αυτός ο αέρας κινείταιι με την ίδια ή παραπλήσια ταχύτητα με αυτή του δίσκου. Η κεφαλή της εγγραφής-ανάγνωσηςς στον δίσκο είναι διαμορφωμένη προκειμένου να το κρατήσει σε οριακή απόσταση. Είναι ένας τύπος ρουλεμάν τοποθετείται σε ένα ολισθαίνοντα βραχίονα (slider), και η επιφάνεια δίπλα αέρα. Σχήμα 1.4: Σχηματική αναπαράσταση-κωδικοποίηση της μαγνητικά εγγεγραμμένης πληροφορίας Μάριος Κοψίδης-ΔΠΜΣ-Ν&Ν Σελίδα 10

15 ανεξάρτητα στοιχεία αλλά σε στενή εγγύτητα με το σημείο της κεφαλής ενός βραχίονα ενεργοποιητών. Το στοιχείο της ανάγνωσης παρουσιάζει χαρακτηριστική μαγνητοαντίσταση, ενώ το στοιχείο της γραφής είναι συνήθως επαγωγικό λεπτό υμένιο. Στους σύγχρονους δίσκους, το μικρό μέγεθος των μαγνητικών περιοχών δημιουργεί τον κίνδυνο να χαθεί η μαγνητική τους κατάσταση λόγω θερμικών επιδράσεων. Για να αντιμετωπιστεί αυτό, κάθε δίσκος περιβάλλεται από δύο παράλληλα μαγνητικά στρώματα, που χωρίζονται από ένα 3ατομικό παχύ στρώμα ενός μη μαγνητικού στοιχείου (π.χ Ru), ενώ τα δύο στρώματα είναι μαγνητισμένα σε αντίθετο προσανατολισμό, ενισχύοντας τη συνολική τους απόκριση. Μια άλλη τεχνολογία που χρησιμοποιείται για να υπερνικήσει τις θερμικές επιδράσεις και να επιτρέψει μεγαλύτερες πυκνότητες εγγραφής είναι η κάθετη εγγραφή, η οποία έχει χρησιμοποιηθεί σε πολλούς σκληρούς δίσκους από το 2007 και στην οποία θα αναφερθούμε εκτενέστερα παρακάτω. Σχήμα 1.5: Κάτοψη ενός σκληρού δίσκου όπου έχουν αφαιρεθεί το καπάκι και οι κυκλικοί δίσκοι. Διακρίνονται ο βραχίονας ενεργοποιητής της κεφαλής, ενώ στο κέντρο φαίνονται χαρακτηριστικά τα χάλκινα πηνία σε κυκλική διάταξη που δίνουν κίνηση στο δίσκο. Χωρητικότητα και ταχύτητα πρόσβασης Η χρήση άκαμπτων δίσκων και η σφράγιση της μονάδας επιτρέπει πολύ υψηλότερες αντοχές απ' ότι πριν μια δισκέτα. Συνεπώς, ο σκληρός δίσκος μπορεί να αποθηκεύει πολύ περισσότερα στοιχεία από τις δισκέτες και μπορεί να έχει πρόσβαση σε αυτά αλλά και να τα διαβιβάσει γρηγορότερα. Από τον Ιανουάριο του 2008 ένας κλασικός υπολογιστής γραφείου με σκληρό δίσκο, μπορεί να αποθηκεύει μεταξύ 120 και 300 GΒ των στοιχείων, να περιστρέφεται σε περιστροφές ανά λεπτό και να έχει ένα ποσοστό μεταφοράς δεδομένων του 1 Gbit/s ή και περισσότερο (1 ΜΒ = 10 9 Β, 1 Gbit/s = 10 9 bit/s). Η υψηλότερη χωρητικότητα των σκληρών δίσκων είναι 1 TB= Β. Η γρηγορότερη περιστροφή των σκληρών δίσκων πραγματοποιείται σε ή περιστροφές/λεπτό, και μπορεί να επιτύχει να μεταφέρει δεδομένα σε ταχύτητες πάνω από 1,6 Gbit/s. Οι σκληροί δίσκοι με ή περιστροφές ανά λεπτό χρησιμοποιούν μικρότερους δίσκους λόγω της έλξης του αέρα και επομένως έχουν γενικά χαμηλότερη χωρητικότητα από την αντίστοιχη υψηλότερη των σκληρών δίσκων των υπολογιστών γραφείου. Μάριος Κοψίδης-ΔΠΜΣ-Ν&Ν Σελίδα 11

16 Διπλωματική Εργασία Μαγνητικά πολυστρωματικά υμένια ως υποψήφια μέσα μαγνητικής εγγραφής Οι κινητοί, δηλαδή, οι σκληροί δίσκοι ενός φορητού υπολογιστή, που είναι φυσικά μικρότεροιι από τους αντίστοιχους των υπολογιστών γραφείου, τείνουν να είναι πιο αργοί και να έχουν μικρότερη χωρητικότητα.. Ένας συνηθισμένος κινητός σκληρός δίσκος περιστρέφεται με περιστροφές/λεπτό. Λόγω των μικρότερων δίσκων, οι κινητοί σκληροί δίσκοι έχουν γενικά χαμηλότερη χωρητικότητα σε σχέση με τους σκληρούς δίσκους των υπολογιστών γραφείου. Σχήμα 1.6: Χρονική εξέλιξη της χωρητικότητας ενός σκληρού δίσκου σε ένα PC (σε GΒ). Ο κάθετος άξονας είναι λογαριθμικός, κατά συνέπεια η γραμμική προσέγγιση των δεδομένων της καμπύλης αντιστοιχεί σε εκθετική αύξηση. Οι εκθετικές αυξήσεις στη χωρητικότητα των δίσκων και οι ταχύτητες πρόσβασης στα δεδομένα των σκληρών δίσκων έχουν επιτρέψει την εμπορική βιωσιμότητα των καταναλωτικώνν προϊόντων που απαιτούν μεγάλες ικανότητες αποθήκευσης, όπως είναι οι ψηφιακές βιντεοκάμερες ή τα mp3 players. Επιπλέον, η διαθεσιμότητα απέραντων ποσών φτηνής αποθήκευσης έχει καταστήσει βιώσιμες ποικίλες υπηρεσίες βασισμένες στο διαδίκτυο με εξαιρετικές απαιτήσεις για τη χωρητικότητα, όπως η δωρεάν αναζήτηση στο διαδίκτυο και το ηλεκτρονικό ταχυδρομείοο (Google, Yahoo!, κ.λπ.). Ο κύριος τρόπος προκειμένου να μειωθεί ο χρόνος πρόσβασης είναι να αυξηθεί η περιστροφική ταχύτητα, ενώ ο κύριος τρόπος για να αυξηθεί η ικανότητα στο ρυθμό απόδοσης και αποθήκευσης είναι να αυξηθεί η τοπική πυκνότητα. Με βάση τις ιστορικές τάσεις, οι αναλυτές προβλέπουν μια μελλοντική αύξηση της πυκνότητας των δίσκων σε 40% ανά χρόνο.. Οι χρόνοι πρόσβασης δεν έχουν συμβαδίσει με τις αυξήσεις στο ρυθμό απόδοσης, οι οποίες με τη σειρά τους δεν έχουν συμβαδίσει με μια αύξηση στην ικανότητα αποθήκευση ης. Από το 2006, μερικοί σκληροί Μάριος Κοψίδης-ΔΠΜΣ-Ν&Ν Σελίδα 12

17 δίσκοι χρησιμοποιούν την τεχνολογία κάθετης εγγραφής προκειμένου να αυξήσουν την πυκνότητα εγγραφής. Ο πρώτος σκληρός δίσκος των 3,5", που πουλήθηκε με την ικανότητα να αποθηκεύει 1ΤΒ ήταν ο Hitachi Deskstar 7K1000. Αποτελείται από πέντε κυκλικούς δίσκους με περίπου 200 ΜΒ ο κάθε ένας, παρέχοντας 935,5 GB ωφέλιμου χώρου. Η Hitachi έχει συνεργαστεί από τότε με τη Samsung (Samsung SpinPoint F1, η οποία έχει 3 platters Χ 334 GΒ), τη Seagate και τη Western Digital στην αγορά δίσκων του 1 TB. Σχήμα 1.7: Εικόνες κεφαλών σκληρών σε διαφορετικές μεγεθύνσεις.η τελευταία εικόνα (δεξιά) αποτελεί μικροφωτογραφία της κεφαλής. Τυπικά μεγέθη μιας κεφαλής 0,3mm σε ύψος και 1mm σε μήκος. Οι αστοχίες και η μέτρηση τους Οι περισσότεροι και βασικότεροι προμηθευτές σκληρών δίσκων και μητρικών καρτών υποστηρίζουν τον αυτοέλεγχο, την ανάλυση και την υποβολή εκθέσεων τεχνολογίας (selfmonitoring, analysis and reporting technology S.M.A.R.T.), με στόχο να προειδοποιήσουν τους χρήστες για τις επικείμενες αστοχίες. Εντούτοις, δεν είναι όλες οι αστοχίες προβλέψιμες. Η κανονική χρήση μπορεί τελικά να οδηγήσει σε βλάβη μια εγγενώς εύθραυστη συσκευή, και επομένως είναι ουσιαστικής σημασίας ο χρήστης να αποθηκεύει κατά διαστήματα τα αρχεία και τα δεδομένα του σε μια ξεχωριστή συσκευή αποθήκευσης. Αν δεν κάνει κάτι τέτοιο μπορεί να υπάρχει απώλεια των αρχείων του και ενώ μπορεί να είναι δυνατό να ανακτηθούν οι χαμένες πληροφορίες, είναι μια διαδικασία που θεωρείται εξαιρετικά δαπανηρή και χωρίς εγγυημένη επιτυχία. Μια μελέτη του 2007 που δημοσιεύθηκε από τη Google πρότεινε πολύ μικρό συσχετισμό μεταξύ των ποσοστών αστοχίας και είτε της υψηλής θερμοκρασίας είτε του επιπέδου δραστηριοτήτων. Ενώ διάφορες παράμετροι S.M.A.R.T. επιδρούν στην πιθανότητα αστοχίας ενός δίσκου, ένα μεγάλο μέρος των ελλατωματικών δίσκων δεν δημιουργεί προβλέψιμες παραμέτρους S.M.A.R.T. Οι παράμετροι S.M.A.R.T. μπορεί από μόνες τους να μην είναι χρήσιμες για την πρόβλεψη της αστοχίας μεμονωμένων δίσκων. Οι δίσκοι SCSI, SAS και FC είναι ακριβότεροι και χρησιμοποιούνται παραδοσιακά στους κεντρικούς υπολογιστές και σε σειρές δίσκων, ενώ οι λιγότεροι ακριβοί ΑΤΑ και SATA δίσκοι Μάριος Κοψίδης-ΔΠΜΣ-Ν&Ν Σελίδα 13

18 εξελίχθηκαν στην αγορά των προσωπικών υπολογιστών και θεωρήθηκαν ως λιγότερο αξιόπιστοι. Αυτή η διάκριση άρχισε τώρα να μην ισχύει. Ο μέσος χρόνος μεταξύ των αποτυχιών (MTBF) των σκληρών δίσκων SATA είναι συνήθως περίπου ώρες (μερικοί δίσκοι όπως ο Western Digital Raptor έχουν εκτιμηθεί στις 1,2 εκατομμύριο ώρες MTBF), ενώ οι σκληροί δίσκοι SCSI εκτιμώνται για πάνω από 1,5 εκατομμύριο ώρες. Ωστόσο, η ανεξάρτητη έρευνα δείχνει ότι MTBF δεν είναι μια αξιόπιστη εκτίμηση της μακροζωίας των δίσκων. Η MTBF διευθύνεται στα εργαστηριακά περιβάλλοντα στις αίθουσες δοκιμής και είναι μια σημαντική μέτρηση για να καθορίσει την ποιότητα ενός σκληρού δίσκου προτού να εισαγάγει την παραγωγή μεγάλης ποσότητας. Μόλις το προϊόν βρεθεί στην παραγωγή, η πιο έγκυρη μέτρηση είναι το ετήσιο ποσοστό αποτυχίας (AFR). Το AFR είναι το ποσοστό των πραγματικών αποτυχημένων δίσκων μετά την αποστολή τους. Οι σκληροί δίσκοι SAS είναι συγκρίσιμοι με τους δίσκους SCSI, με υψηλό MTBF και υψηλή αξιοπιστία. Οι επιχειρησιακοί δίσκοι SATA που σχεδιάζονται και παράγονται για τις επιχειρηματικές αγορές, αντίθετα από τους τυποποιημένους δίσκους SATA, έχουν μια αξιοπιστία συγκρίσιμη με άλλη κατηγορία επιχειρησιακών δίσκων. Υπό κανονικές συνθήκες οι επιχειρησιακοί δίσκοι (όλοι οι επιχειρησιακοί δίσκοι, συμπεριλαμβανομένου των SCSI, SAS, των επιχειρησιακών SATA και του FC) έχουν ένα ετήσιο ποσοστό αστοχίας μεταξύ 0.70%-0.78% στο σύνολο των εγκατεστημένων σκληρών δίσκων ΤΟ ΜΕΛΛΟΝ ΤΩΝ ΣΚΛΗΡΩΝ ΔΙΣΚΩΝ Τα πολυστρωματικά υμένια είναι μια νέα κατηγορία υλικών που κατασκευάζονται στην νανοκλίμακα. Συντίθενται από αλλεπάλληλα στρώματα με πάχος μόλις μερικά άτομα, από διαφορετικά υλικά, ενώ εμφανίζουν εξαιρετικές ιδιότητες όσον αφορά την αντοχή σε τάση, σκληρότητα, θερμική αντίσταση αλλά και νέες απρόβλεπτες ιδιότητες. Τα εναλλασσόμενα στρώματα των πολυστρωματικών υμενίων μπορεί να ποικίλουν σε αριθμό από μερικά Angstrom μέχρι και περισσότερα από Å. Ατομικά το κάθε στρώμα έχει μια κλίμακα πάχους από μερικά άτομα μέχρι και χιλιάδες άτομα, ανταποκρινόμενα σε ένα μέγιστο πάχος δομής περίπου στα 10 εκατομμύρια άτομα ανά ίντσα. Η επανάληψη των αποστάσεων στα πολυστρωματικά υμένια, δηλαδή το πάχος δύο γειτονικών στρωμάτων, μπορεί σκοπίμως να επιλεγεί, ώστε να ταιριάζει στα μήκη αλληλεπίδρασης (interaction lengths) χαρακτηριστικών των φυσικών ιδιοτήτων των υλικών (π.χ. τα μήκη μαγνητικής αλληλεπίδρασης) με τελικό στόχο την εμφάνιση νέων ιδιοτήτων. Το σύνολο των επιστημόνων που εργάζονται στη τεχνολογία των πολυστρωματικών υμενίων Μάριος Κοψίδης-ΔΠΜΣ-Ν&Ν Σελίδα 14

19 αποδέχεται την φράση ότι κανείς πρέπει να περιμένει το απροσδόκητο όταν παρασκευάζονται πολυστρωματικά υμένια και χαρακτηρίζονται. Τα πολυστρωματικά υμένια αποτελούν μέρος ενός μεγαλύτερου επιστημονικού πεδίου που οι επιστήμονες ονομάζουν νανοϋλικά και αντιπροσωπεύουν τα υπάρχοντα όρια στην μηχανική των υλικών. Τα πολυστρωματικά υλικά δίνουν πλέον την δυνατότητα να μιλούμε για ατομική μηχανική, αυτό σημαίνει ότι μπορούμε να χτίζουμε το υλικό μας χρησιμοποιώντας ξεχωριστά κάθε άτομο και μόριο ως δομικές μονάδες. Τα μαγνητικά πολυστρωματικά υμένια έχουν αποτελέσει το επίκεντρο της προσοχής λόγω των πολύ ελκυστικών τους ιδιοτήτων και εφαρμογής αυτών στα μαγνητικά μέσα αποθήκευσης. Ήδη πραγματοποιείται εκτεταμένη έρευνα σε δομικές, μηχανικές και μαγνητικές ιδιότητες, καθώς επίσης έχει ξεκινήσει και μια πιλοτική εφαρμογή μαγνητικών πολυστρωμάτων σε μαγνητικά μέσα αποθήκευσης. Σε ένα ψηφιακά καταγεγραμμένο πεδίο, εάν όμοιοι πόλοι δύο ομάδων μαγνητών έρθουν σε επαφή, τότε αυτό θεωρείται ως 1, ενώ αν έρθουν σε επαφή οι αντίθετοι πόλοι, τότε αυτό θεωρείται ως 0. Αυτό που πρόσφατα επιτεύχθηκε είναι η ύπαρξη μικρών κόκκων μεγέθους κάτω των 6 nm οι οποίοι θα επιτρέπουν σε ένα σκληρό δίσκο διαμέτρου 2.5 ιντσών να έχουν 300 τρισεκατομμύρια μικρούς μαγνήτες. Εντούτοις, όταν το μέγεθος του κόκκου μειώνεται κάτω από αυτήν την κλίμακα, ένα φαινόμενο αποκαλούμενο υπερπαραμαγνητισμός θέτει ένα όριο στις μαγνητικές ιδιότητες κι αυτό είναι μια από τις βασικές προκλήσεις των μέσων αποθήκευσης. Για ένα βήμα πέρα απ τον υπερπαραμαγνητισμό χρησιμοποιείται η Επίπεδη Αντισιδηρομαγνητική Σύζευξη (Laminated Antiferromagnetically Coupled - LAC). Τα μέσα LAC αποτελούνται από δύο τουλάχιστον μαγνητικά στρώματα με μαγνητικές ροπές που κινούνται προς αντίθετες κατευθύνσεις. Η αρχή των μέσων LAC βασίζεται στην προσθήκη έξτρα ενέργειας υπό τη μορφή αντισιδηρομαγνητικής σύζευξης προκειμένου να σταθεροποιηθούν τα bits. Για να δημιουργήσει κανείς ένα μέσο LAC, θα πρέπει, πέρα από τα υπάρχοντα στρώματα των συμβατικών μέσων, να τοποθετήσει και δύο λεπτά στρώματα (ένα μαγνητικό στρώμα και ένα στρώμα Ru πάχους 6 Å). Με τα μέσα LAC, η θερμική σταθερότητα των bits βελτιώνεται εντυπωσιακά, από μια αποθηκευτική ικανότητα μερικών μηνών, σε μερικές δεκάδες ετών. Θεωρείται ότι τα μέσα LAC μπορούν να φτάσουν τις πυκνότητες εγγραφής σε επίπεδο της τάξεως του 300 Gb/in2, κάτι το οποίο σημαίνει ότι μπορούμε να δημιουργήσουμε σκληρούς δίσκους με μια χωρητικότητα άνω των 600 GΒ. Υπάρχουν δύο τύποι μαγνητικών τρόπων εγγραφής: η διαμήκης και η κάθετη μαγνητική εγγραφή. Στην κάθετη εγγραφή, τα bits αποθηκεύονται με κάθετη τοποθέτηση των μαγνητών, με τους αντίθετους πόλους τον ένα απέναντι στον άλλο και είναι επομένως σταθερότερη για πυκνότητες υψηλής αποθήκευσης. Θεωρείται ότι στο άμεσο μέλλον, η τεχνολογία κάθετης Μάριος Κοψίδης-ΔΠΜΣ-Ν&Ν Σελίδα 15

20 εγγραφής θα πάρει τη θέση της υπάρχουσας τεχνολογίας της διαμήκους εγγραφής. Η έρευνα γίνεται πάνω σε μια πληθώρα ειδών κάθετων μέσω εγγραφής, όπως είναι τα πολυστρωματικά Co/Pd και υμένια FePt. Σε ένα μέσο βασισμένο σε πολυστρωματικά Co/Pd, υπάρχουν περίπου στρώματα του Co (3 Å) και Pd (6-8 Å). Αυτά τα υλικά έχουν τη δυνατότητα να υποστηρίξουν πυκνότητες μέχρι και 1 τρισεκατομμύριο bit ανά τετραγωνική ίντσα. Τόσο στην διαμήκη όσο και στην κάθετη εγγραφή, κάποιο bit αποθηκεύεται σε μια ομάδα πολλών μικρών κόκκων και επομένως είναι θερμικά ασταθές. Εντούτοις, στα καθορισμένα μοτίβα μέσων εγγραφής, ένα bit αποθηκεύεται από έναν κόκκο και επομένως, ο κόκκος μπορεί να είναι μεγαλύτερος. Επομένως, η ακεραιότητα των δεδομένων μπορεί να διατηρηθεί ακόμη και σε πυκνότητες υψηλότερες από 1 τρισεκατομμύριο bit ανά τετραγωνική ίντσα. Στην τεχνολογία αυτών των καθορισμένου σχεδίου μέσων εγγραφής, το ζήτημα-κλειδί είναι η παραγωγή των μέσων με φτηνότερο κόστος και έρευνες γίνονται προκειμένου να παραχθούν καθορισμένα μοτίβα νανοδομών με πλήθος τρόπων. Ένας τέτοιος τρόπος είναι η αυτοοργάνωση των νανοδομών δια της χημικής οδού ή με το βομβαρδισμό τους από δέσμες ιόντων. Άλλοι τρόποι για να παραχθούν οι νανοδομές είναι η λιθογραφία με δέσμες ηλεκτρονίων καθώς και η τεχνολογία της νάνοαποτύπωσης. Έχει ανακαλυφθεί και μια νέα τεχνολογία βασισμένη στην αλλαγή της φάσης σε νανοκλίμακα που προκαλείται με ακτινοβολία προκειμένου να παραχθούν μαγνητικές νανοδομές. Αυτό που επιχειρείται τώρα είναι ένας συνδυασμός της μεθόδου της αυτοοργάνωσης των νανοδομών και της τεχνολογίας της αποτύπωσης με σκοπό την παραγωγή μέσων καθορισμένου μοτίβου με σχετικά μεγάλη τάξη σε μεγάλη περιοχή. Ο υπερπαραμαγνητισμός Ο υπερπαραμαγνητισμός είναι μια μορφή μαγνητισμού, που εμφανίζεται σε μικρές σιδηρομαγνητικά νανοδομές (< 50 nm). Ανάλογα με το σύστημα, υπάρχει κάποιο κρίσιμο μέγεθος, κάτω από το οποίο, η μαγνήτιση μπορεί με τυχαίο τρόπο να αλλάξει κατεύθυνση εξαιτίας της επίδρασης της θερμοκρασίας. Ο χρόνος μεταξύ δύο τέτοιων μεταβολών αποκαλείται χρόνος εφησυχασμού Nèel (Nèel relaxation time). Όταν ο χρόνος που απαιτείται για τη μαγνήτιση των νανοδομών είναι πολύ περισσότερος από το χρόνο εφησυχασμού Nèel, τότε η μαγνήτισή τους εμφανίζεται να είναι κατά μέσο όρο στο 0 και το υλικό θεωρείται ότι εμφανίζει υπερπαραμαγνητική συμπεριφορά. Ο υπερπαραμαγνητισμός θέτει ένα όριο στην πυκνότητα αποθήκευσης των σκληρών δίσκων λόγω κρίσιμου μεγέθους που απαιτείται για να σταθεροποιείται η μαγνήτιση. Τό όριο αυτό είναι γνωστό ως υπερπαραμαγνητικό όριο. Η υπάρχουσα τεχνολογία των σκληρών δίσκων με τη διαμήκη εγγραφή έχει ένα εκτιμώμενο όριο από 100 έως 200 Gbit/in², αν και αυτή η εκτίμηση αλλάζει συνεχώς. Μάριος Κοψίδης-ΔΠΜΣ-Ν&Ν Σελίδα 16

21 Μια τεχνική που προτείνεται για να επεκταθούν περαιτέρω οι δυνατότητες αποθήκευσης των σκληρών δίσκων είναι να χρησιμοποιηθεί η κάθετη εγγραφή παρά η συμβατική διαμήκη εγγραφή. Αυτή η μέθοδος αλλάζει τη γεωμετρία του δίσκου και αλλάζει και τη δυναμική της υπερπαραμαγνητικής επίδρασης. Η κάθετη εγγραφή προβλέπεται ότι θα επιτρέψει την αποθήκευση πληροφοριών μέχρι περίπου 1 Tbit/in² (1024 Gbit/in²). Σχήμα 1.8: Εικόνες ηλεκτρονικής μικροσκοπίας της δομής κόκκου σε δύο μαγνητικά μέσα. (μεγέθυνση ) Στο παραπάνω σχήμα παρατίθενται δύο φωτογραφίες από ηλεκτρονικό μικροσκόπιο διέλευσης (TEM) για δύο διαφορετικά μέσα δίσκων, οι οποίες επεξηγούν, πώς η δομή του κόκκου έχει αλλάξει με την πάροδο του χρόνου. Η αριστερή εικόνα είναι ένα μαγνητικό μέσο που υποστηρίζει μια πυκνότητα στοιχείων περίπου 10 Gbits/inch 2 με μια μέση διάμετρο κόκκου περίπου 13 nm. Το μαγνητικό μέσο στη δεξιά φωτογραφία υποστηρίζει μια πυκνότητα στοιχείων 25 Gbit/inch 2 με μια μέση διάμετρο κόκκου περίπου 8.5 nm. Ιστορικά, οι κατασκευαστές των σκληρών δίσκων είχαν μόνο δύο τρόπους για να διατηρήσουν τη θερμική σταθερότητα, όσο ο όγκος των μέσων του κόκκου μειώνεται ανάλογα με την αυξανόμενη τοπική πυκνότητα: 1) Βελτίωση της επεξεργασίας σήματος και χρήση κωδικών διόρθωσης λάθους (ECC) έτσι ώστε να απαιτούνται λιγότεροι κόκκοι ανά κομμάτι στοιχείων, και 2) ανάπτυξη των νέων μαγνητικών υλικών που αντιστέκονται εντονότερα σε οποιαδήποτε αλλαγή στη μαγνήτιση τους, τεχνικά γνωστή ως υψηλότερο συνεκτικό πεδίο Αλλά στα κράματα με υψηλότερο συνεκτικό πεδίο είναι δυσκολότερο να επιτευχθεί η διαδικασία εγγραφής (απαιτούνται μεγαλύτερα πεδία). Ενώ οι βελτιώσεις στην κωδικοποίηση και στη ECC βρίσκονται σε εξέλιξη, τα νέα AFC μέσα της ΙΒΜ είναι μια σημαντική πρόοδος επειδή επιτρέπουν στους κατασκευαστές να έχουν όλα τα πλεονεκτήματα. Είναι εύκολο να γράψουν σε πολύ υψηλές τοπικές πυκνότητες αλλά είναι και πολύ πιο σταθερά από τα συμβατικά μέσα. Μάριος Κοψίδης-ΔΠΜΣ-Ν&Ν Σελίδα 17

22 Σχήμα 1.9: Απεικόνιση μαγνητικών περιοχών (bits) σε συμβατικό (αριστερά) και σε AFC μαγνητικό μέσο (δεξιά). Πώς λειτουργούν τα μέσα ανισιδηρομαγνηρικής σύζευξης (AFC); Τα συμβατικά μέσα σκληρών δίσκων αποθηκεύουν στοιχεία μόνο σε ένα μαγνητικό στρώμα, τυπικά χαρακτηριστικά ενός σύνθετου μαγνητικού κράματος (όπως το CoPtCrB). Τα μέσα AFC είναι μια πολυστρωματική δομή στην οποία δύο μαγνητικά στρώματα χωρίζονται από ένα εξαιρετικά λεπτό (~ 3 ατομικών επιπέδων) μη μαγνητικού μετάλλου (Ru). Αυτό το συγκεκριμένο πάχος του Ru αναγκάζει τη μαγνήτιση σε κάθε ένα από τα μαγνητικά στρώματα να προσανατολιστεί σε αντίθετες κατευθύνσεις -αντιπαράλληλες γεγονός που αποτελεί την αντισιδηρομαγνητική σύζευξη. Μια σχηματική αναπαράσταση αυτής της δομής παρουσιάζεται στο παρακάτω σχήμα. Σχήμα 1.10: Σχηματική αναπαράσταση ενός μέσου AFC μιας μαγνητικής μετάβασης Κατά την ανάγνωση του στοιχείου, όπως αυτό αιωρείται πάνω από τον ταχύτατα περιστρεφόμενο δίσκο, μια κεφαλή εγγραφής αντιλαμβάνεται τις μαγνητικές μεταβάσεις στα μαγνητικά μέσα που επικαλύπτουν το δίσκο. Το εύρος αυτού του σήματος είναι ανάλογο προς το "μαγνητικό πάχος" των μέσων, που ορίζεται σαν το γινόμενο της παραμένουσας μαγνήτισης (M r ) και του φυσικού πάχους (t). Δεδομένου ότι οι πυκνότητες των στοιχείων αυξάνονται, το μαγνητικό πάχος των μέσων (γνωστό τεχνικά ως M r t) πρέπει να μειωθεί αναλογικά, έτσι ώστε όταν οι μεταβάσεις είναι πολύ μικρού πάχους πρέπει να είναι αρκετά «αιχμηρές» (πολύ μικρό FWHM) προκειμένου να διαβαστούν καθαρά. Για τα συμβατικά μέσα, αυτό σημαίνει μια μείωση στο φυσικό πάχος των μέσων. Μάριος Κοψίδης-ΔΠΜΣ-Ν&Ν Σελίδα 18

23 Το κλειδί για τα μέσα AFC είναι η αντιπαράλληλη ευθυγράμμιση των δύο μαγνητικών στρωμάτων κατά μήκος κάθε μαγνητικής μετάβασης μεταξύ δύο bit. Καθώς η κεφαλή περνάει πάνω από κάθε μετάβαση, οι κεφαλές εγγραφής αντιλαμβάνονται ένα ενεργό M r t της σύνθετης δομής (M r t eff ) που αποτελεί τη διαφορά στις τιμές M r t για κάθε ένα από τα δύο μαγνητικά στρώματα: M r t eff = M r t top - M r t bottom Αυτή η ιδιότητα των μέσων AFC επιτρέπει στο γενικό δείκτη M r t να μειωθεί -και στη πυκνότητα των στοιχείων να αυξηθεί- ανεξάρτητα από το γενικό φυσικό πάχος της. Κατά συνέπεια για μια δεδομένη τοπική πυκνότητα, το M r t του κορυφαίου μαγνητικού στρώματος των AFC μέσων μπορεί να είναι σχετικά μεγάλο συγκρινόμενα με τα μονοστρωματικά μέσα. Το παρακάτω σχήμα συγκρίνει τις προβολές που γίνονται βασισμένες στις μετρήσεις της αναμενόμενης απώλειας εύρους σημάτων μετά από 10 έτη στα συμβατικά μονοστρωματικά μέσα με τα AFC μέσα. Δεδομένου ότι το M r t των συμβατικών μέσων μειώνεται με το μειωμένο πάχος των υμενίων και τη διάμετρο του κόκκου, οι θερμικές επιδράσεις στενεύουν γρήγορα το μαγνητικό εύρος της. Σχήμα 1.11: Θερμική σταθερότητα ενός AFC και ενός συμβατικού μέσου Συγκριτικά, το μέσο AFC έχει τη θερμική σταθερότητα των συμβατικών μέσων έχοντας περίπου δύο φορές το μαγνητικό πάχος τους. Στο μέλλον, οι δομές των AFC μέσων αναμένονται να επιτρέψουν θερμικά τη σταθερή αποθήκευση στοιχείων σε πυκνότητες 100 Gbits ανά τετραγωνική ίντσα και ενδεχομένως και παραπάνω από αυτό. Δύο πρόσθετα πλεονεκτήματα του AFC μέσου είναι ότι μπορεί να γίνει χρησιμοποιώντας τον υπάρχοντα εξοπλισμό παραγωγής με ελάχιστο ή κανένα συμπληρωματικό κόστος και ότι τα χαρακτηριστικά της εγγραφής και της ανάγνωσης είναι παρόμοια με τα συμβατικά διαμήκη μέσα. Εν περιλήψει, η ΙΒΜ έχει αναπτύξει και παράγει μαζικά μια νέα ελπιδοφόρα τεχνολογία σκληρών δίσκων βασισμένη στα αντισιδηρομαγνητικά συνδεμένα πολυστρωματικά υμένια που μπορούν να επιτρέψουν τις σημαντικές τοπικές αυξήσεις πυκνότητας διατηρώντας τη θερμική σταθερότητα των καταγεγραμμένων στοιχείων. Αυτή η πρόοδος θα Μάριος Κοψίδης-ΔΠΜΣ-Ν&Ν Σελίδα 19

24 επιτρέψει στη μαγνητική τεχνολογία των σκληρών δίσκων να επεκταθεί αρκετά πέρα από τα προηγουμένως προβλεφθέντα "όρια" που επιβάλλονται από την υπερπαραμαγνητική επίδραση ΜΑΓΝΗΤΙΚΑ ΥΛΙΚΑ ΚΑΤΑΛΛΗΛΑ ΓΙΑ ΜΕΣΑ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ Οποιοδήποτε σύστημα με δύο διακριτές σταθερές καταστάσεις μαγνήτισης οι οποίες μπορούν να εναλλαχθούν με ελεγχόμενο τρόπο μπορεί να αποτελέσει ένα εν δυνάμει μέσο για εγγραφή πληροφορίας (αποθήκευση και ανάγνωση). Τα μαγνητικά υλικά, που έχουν δύο σταθερές διευθύνσεις της μαγνήτισης τους (την θετική και την αρνητική κατάσταση κόρου), οι οποίες σταθεροποιούνται με τη βοήθεια του συνεκτικού τους πεδίου, χρησιμοποιούνται ευρέως στη βιομηχανία εγγραφής. Η εξέλιξη της βιομηχανίας εγγραφής προϋποθέτει υψηλότερες πυκνότητες και γρηγορότερη προσπέλαση δεδομένων. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με τη συρρίκνωση του μεγέθους των διακεκριμένων μονάδων πληροφορίας, είτε αλλάζοντας τις παραμέτρους του υλικού είτε βελτιώνοντας τα συνδεόμενα μηχανικά/ηλεκτρονικά εξαρτήματα είτε εισάγοντας νέες φιλοσοφίες και μεθόδους μαγνητικής εγγραφής. Στα παραδοσιακά μαγνητικά μέσα εγγραφής (ήχου, βίντεο, αναλογικά, ψηφιακά) οι διακριτές μονάδες πληροφορίας εγγράφονται με τη μέθοδο της διαμήκους εγγραφής αλλά με περιορισμούς που υπαγορεύονται από το μέγεθος της μονάδας πληροφορίας λόγω των φαινόμενων απομαγνήτισης και των μεγάλων κενών μεταξύ των μονάδων πληροφορίας. Στην κάθετη εγγραφή, όπου η μαγνήτιση είναι κάθετη στην επιφάνεια του μέσου, συρρικνώνονται οι διαστάσεις των κενών μεταξύ των μονάδων πληροφορίας, επιτυγχάνοντας έτσι μεγαλύτερες πυκνότητες και υψηλότερες τιμές λόγου σήματος-θορύβου (Signal to Noise Ratio) σε μεγαλύτερες ταχύτητες. Τα περισσότερα μαγνητικά μέσα εναποτίθενται πάνω σε άκαμπτα ή σε εύκαμπτα υποστρώματα είτε ως νανοσωματίδια μέσα σε ένα μη μαγνητικό πλέγμα (γ-fe 2 O 3, CrO 2, συνδυασμός Co με γ-fe 2 O 3, εξαφερρίτες) είτε ως συνεχή μέσα (Fe, CoCr). Οι απαιτήσεις για ένα διαμήκες μαγνητικό μέσο εγγραφής μπορούν να συνοψιστούν στα εξής: 1. υψηλή μαγνήτιση κόρου (M s ), υψηλή παραμένουσα μαγνήτιση (M r ), υψηλή τετραγωνικότητα (S=M r /M s ) ώστε να υπάρχει ένα αρκετά δυνατό σήμα. 2. χαμηλή κρυσταλλική ανισοτροπία ώστε να ελαττωθεί η θερμοκρασιακή εξάρτηση. 3. υψηλή ανισοτροπία σχήματος ώστε να σταθεροποιείται η κατεύθυνση της μαγνήτισης. 4. αρκετά υψηλή τιμή συνεκτικού πεδίου ώστε να σταθεροποιείται η εγγραφόμενη μαγνητική κατάσταση, αλλά αρκετά χαμηλή ώστε να είναι δυνατή η εγγραφή/ επανεγγραφή /διαγραφή της πληροφορίας από το μαγνητικό πεδίο της κεφαλής. Μάριος Κοψίδης-ΔΠΜΣ-Ν&Ν Σελίδα 20

25 5. αρκετά υψηλό σημείο Curie ώστε να υπάρχει θερμοκρασιακή σταθερότητα. 6. το υλικό πρέπει να έχει χαμηλό κόστος, να είναι χημικά, μηχανικά και περιβαλλοντικά σταθερό/ανθεκτικό και η διαδικασία παραγωγής του να είναι απλή και να εμφανίζει μια καλά καθορισμένη κολωνοειδή μικροδομή αν είναι υμένιο ή να αποτελείται από σωματίδια με προσανατολισμένο σχήμα (π.χ. ακίδες). Σχήμα 1.12: Απαιτήσεις μαγνητικού υλικού για χρήση ως μαγνητικό μέσο (αριστερά) ή ως μαγνητική κεφαλή (δεξιά) Τυπικές τιμές μαγνήτισης από κοκκώδη μαγνητικά μέσα (οξείδια) είναι από emu/cm 3, με συνεκτικό πεδίο από 300 Oe για το σύστημα γ-fe 2 O 3 μέχρι 2.5 koe για το σύστημα BaFe. Η τετραγωνικότητα των εμπορικών μέσων μεταβάλλεται μεταξύ των τιμών 0.5 και 0.8. Οι μεταλλικές επικαλύψεις έχουν μικρότερα πάχη από εκείνα των οξειδίων (10-1 μm) και εμφανίζουν υψηλότερα σήματα έχοντας παράγοντα επιστοίβασης τη μονάδα, ενώ δεν εμφανίζουν εγγενή προβλήματα απομαγνήτισης. λ=0.5 μm, 10 5 bits/in λ<0.5 μm, 5 x 10 5 bits/in α). β). Σχήμα 1.13: Επιμήκη α) και κάθετα β) μαγνητικά μέσα εγγραφής Στην κάθετη εγγραφή όλες οι παραπάνω απαιτήσεις πρέπει να ικανοποιούνται και επιπλέον ο εύκολος άξονας πρέπει να είναι κάθετος στο επίπεδο του υμενίου. Μάριος Κοψίδης-ΔΠΜΣ-Ν&Ν Σελίδα 21

26 Παρόλο που τα μαγνητικά πολυστρωματικά υμένια αρχικά προτάθηκαν ως συστήματα μαγνητο-οπτικής αποθήκευσης, μπορούν εξίσου να αξιοποιηθούν και ως κλασικά μέσα μαγνητικής εγγραφής είτε διαμήκη είτε κάθετα. Στα μαγνητικά πολυστρωματικά υμένια, τα σιδηρομαγνητικά στρώματα συζεύγνυνται μέσα από τα ενδιάμεσα μη μαγνητικά μεταλλικά στρώματα. Η σύζευξη αυτή εμφανίζει συμπεριφορά ταλάντωσης ανάλογα με το πάχος τους. Κατά συνέπεια, στο ίδιο σύστημα υπάρχει η δυνατότητα εμφάνισης σίδηρο- ή αντισιδηρομαγνητικής σύζευξης ανάλογα με το πάχος του μη μαγνητικού υλικού. Τα υποψήφια συστήματα για μαγνητική εγγραφή είναι τα μαγνητικά πολυστρωματικά συστήματα που έχουν σιδηρομαγνητική σύζευξη. Ένα τέτοιο σύστημα είναι το κλασικό μέσο CoNi-Cr ενώ τα συστήματα Co-Pt και Co-Pd αποτελούν πιθανούς υποψήφιους για τους παραδοσιακούς δίσκους. Το σύστημα Fe-Ti με τα χαρακτηριστικά 5.2 nm Fe/5.3 nm Ti, προτείνεται ως μέσο μαγνητικής εγγραφής εξαιτίας της σχετικά υψηλής του μαγνήτισης (4πΜ s =4kG, υψηλό συνεκτικό πεδίο H c = 650 Oe και τετραγωνικότητα S=0.7). Από μετρήσεις των χαρακτηριστικών μετάβασης μεταξύ των δύο καταστάσεων μαγνήτισης σε ένα υμένιο 30 επαναλήψεων αποτελούμενο από 0.7 nm Co και 1.3 nm Pt πάνω σε υπόστρωμα Si, καταδείχθηκε η εξαιρετική του απόκριση ως διαμήκες μέσο εγγραφής με μαγνήτιση που αντιστοιχεί στο ποσοστό του Co στο σύστημα και συνεκτικό πεδίο 722 Oe. Τα πολυστρωματικά υμένια αναμένεται να εμφανίσουν συμπεριφορά παρόμοια με εκείνη των συνεχών λεπτών υμενίων που ήδη χρησιμοποιούνται ως μέσα εγγραφής. Καθώς η πυκνότητα εγγραφής αυξάνεται, ο θόρυβος σήματος αποτελεί ολοένα και πιο σημαντική πηγή προβλημάτων όσον αφορά την καταγραφή αξιόπιστων σημάτων και αυτό αποτελεί το βασικό πλεονέκτημα στην χρήση των πολυστρωματικών υμενίων έναντι των συμβατικών μέσων λεπτών υμενίων. H δομική μελέτη πολυστρωματικής δομής αποτελούμενης από στρώματα CoNiCr και από στρώματα Cr έδειξε ότι οι κόκκοι CoNiCr είναι πιο απομονωμένοι στην πολυστρωματική δομή σε σχέση με το αντίστοιχο συμβατικό λεπτό υμένιο, οδηγώντας έτσι σε μια εξασθένιση όλων των φαινομένων σύζευξης είτε διαμέσου των στρωμάτων είτε εντός των σιδηρομαγνητικών κόκκων. Το γεγονός αυτό βελτιώνει σημαντικά τα τεχνολογικά χαρακτηριστικά, ενώ παρόμοιες μελέτες έχουν δείξει μια έντονη εξάρτηση των χαρακτηριστικών εγγραφής από τον αριθμό των επαναλήψεων της πολυστρωματικής δομής. Μαγνητο-οπτικά μέσα Στην παραδοσιακή μαγνητική εγγραφή η πληροφορία καταγράφεται σαν μια περιοχή αντεστραμμένης μαγνήτισης λόγω της επίδρασης της κεφαλής εγγραφής του μέσου. Η κεφαλή βρίσκεται είτε σε επαφή είτε πολύ κοντά στο μέσο, γεγονός που θέτει μεγάλους περιορισμούς στον μηχανικό σχεδιασμό του συστήματος εγγραφής και αποτελεί την πιο συχνή αιτία βλαβών. Μάριος Κοψίδης-ΔΠΜΣ-Ν&Ν Σελίδα 22

27 Αντίθετα, η οπτική εγγραφή δεν απαιτεί επαφή. H προσέγγιση του μέσου, έχει μεγαλύτερη πυκνότητα αφού χρησιμοποιείται δέσμη laser για την ανάγνωση της πληροφορίας, όμως τα αντίστοιχα οπτικά μέσα αποτελούν μνήμες προσπέλασης αφού η πληροφορία αποθηκεύεται με μορφή μόνιμης φυσικής μεταβολής στις ιδιότητες του μέσου. Πρόσφατα προτάθηκε ένας νέος τρόπος εγγραφής πληροφορίας: η θερμο-μαγνητο-οπτική εγγραφή. Η αρχή λειτουργίας της τεχνικής αυτής βρίσκεται στην αλληλεπίδραση με ένα μαγνητικό υλικό, η οποία έχει σαν αποτέλεσμα τη στροφή του επιπέδου πόλωσης του φωτός σε αντίθετες διευθύνσεις εξαιτίας αντίθετα μαγνητισμένων μαγνητικών περιοχών. Αυτή η διαφορά αξιοποιείται στη διαδικασία ανάγνωσης όπου χρησιμοποιείται η μαγνητο-οπτική απόκριση Kerr από ένα παλμό laser χαμηλής ισχύος. Σχήμα 1.14: Σχηματική αναπαράσταση θερμομαγνητικής εγγραφής Η εγγραφή της πληροφορίας επιτυγχάνεται με μια θερμο-μαγνητο-οπτική διαδικασία. Μια δέσμη laser θερμαίνει τοπικά το υλικό μέχρι μια θερμοκρασία λίγο χαμηλότερη από τη θερμοκρασία Curie, όπου το συνεκτικό πεδίο είναι πολύ χαμηλό και η μαγνήτιση του υλικού μπορεί εύκολα να αλλάξει κατεύθυνση. Καθώς το υλικό ψύχεται στην θερμοκρασία κανονικής λειτουργίας υπό την επίδραση ενός πεδίου μετρίου μεγέθους, αυξάνει το συνεκτικό του πεδίο, οδηγώντας σε σταθεροποίηση την διεύθυνση της μαγνήτισης του και κατά συνέπεια την αποθηκευμένη πληροφορία. Οι απαιτήσεις για ένα υλικό, ώστε να χρησιμοποιηθούν σαν μαγνητοοπτική μνήμη είναι κατά βάση ανάλογες με εκείνες των μαγνητικών μνημών με μια επιπλέον προϋπόθεση, την μεγάλη μαγνητο-οπτική απόκριση (μεγάλη στροφή Kerr). Μάριος Κοψίδης-ΔΠΜΣ-Ν&Ν Σελίδα 23

28 Η χρηστικότητα μαγνητικών πολυστρωματικών υμενίων (Co-Pt, Co-Pd, Co-Au) ως μέσων μαγνητο-οπτικής εγγραφής έχει ήδη καταδειχθεί από πλήθος δημοσιεύσεων σχετικών με την υψηλή τους απόκριση κυρίως σε μικρά μήκη κύματος. Η ενισχυμένη τους απόκριση Kerr προσφέρει δυνατότητες συμπύκνωσης της αποθηκευμένης πληροφορίας σε μήκη κύματος των σύγχρονων ημιαγωγικών laser. Η ανθεκτικότητα τους σε φαινόμενα οξείδωσης και διάβρωσης σε συνδυασμό με τη χημική και περιβαλλοντική τους σταθερότητα αποτελούν ένα ακόμα σημαντικό πλεονέκτημα για τη χρήση τους. Τέλος, η υψηλή τιμή ανακλαστικότητας ενισχύει την απόκριση των συστημάτων αυτών. Το συνεκτικό πεδίο στο σύστημα Co-Pt προσεγγίζει την τιμή 1 koe όταν το πάχος του Co κρατείται κάτω από τα 4 Å, ενώ η σχετικά χαμηλή στροφή Kerr που κυμαίνεται μεταξύ των τιμών 0.1 ο και 0.2 ο δεν αποτελεί σημαντικό πρόβλημα καθώς η απόκριση τους ενισχύεται από τις υψηλές τιμές ανακλαστικότητας. Έχουν προταθεί και άλλα εναλλακτικά συστήματα αποθήκευσης όπως είναι η αντικατάσταση των λεπτών υμενίων από άμορφα κράματα σπάνιας γαίας μετάλλου μεταπτώσεως από τα αντίστοιχα πολυστρωματικά υμένια. Στα συστήματα αυτά, η μαγνήτιση καθορίζεται από το μέταλλο μεταπτώσεως ενώ η ανισοτροπία από τη σπάνια γαία. Βελτίωση των συστημάτων αυτών αποτελεί και η προσθήκη μη μεταλλικών στρωμάτων (TbFe-Al 2 O 3 ) στην πολυστρωματική διαμόρφωση, η οποία οδηγεί σε περαιτέρω αύξηση της μαγνητο-οπτικής δραστηριότητας και σε τετραγωνικούς βρόχους υστέρησης. Τέλος, υπάρχει έντονο επιστημονικό ενδιαφέρον και σε πολυστρωματικές δομές αποτελούμενες από δύο σιδηρομαγνητικά υλικά ή κράματα αυτών (Co- Ni 2, e x Co 1-x -Pd) ΤΑ ΜΑΓΝΗΤΙΚΑ ΠΟΛΥΣΤΡΩΜΑΤΙΚΑ ΥΜΕΝΙΑ Τα μαγνητικά πολυστρωματικά υμένια αποτελούν δομές όπου μαγνητικά στρώματα διαχωρίζονται από μη μαγνητικά στρώματα. Τα εναλλασσόμενα στρώματα των πολυστρωματικών υμενίων μπορεί να ποικίλουν σε αριθμό. Ατομικά, το κάθε στρώμα έχει μια κλίμακα πάχους από μερικά άτομα μέχρι και χιλιάδες άτομα. Η επανάληψη των αποστάσεων, δηλαδή το πάχος δύο γειτονικών στρωμάτων, μπορεί σκόπιμα να επιλεγεί ώστε να ταιριάζει στα μήκη αλληλεπίδρασης (interaction lengths) χαρακτηριστικών των φυσικών ιδιοτήτων των υλικών. Η διαμόρφωση αυτή αποτελεί πηγή πλήθους φαινομένων αυξημένου επιστημονικού ενδιαφέροντος. Ανάμεσα σε αυτά μπορεί κανείς να ξεχωρίσει την γιγαντιαία μαγνητοαντίσταση (GMR) και τη διαστρωματική σύζευξη (interlayer coupling). Γενικά, τα φυσικά φαινόμενα στα υπερπλέγματα μπορούν να διαχωριστούν σε φαινόμενα λεπτών υμενίων, ενδοεπιφανειών, εγγύτητας, σύζευξης και φαινόμενα υπερπλέγματος καθώς Μάριος Κοψίδης-ΔΠΜΣ-Ν&Ν Σελίδα 24

29 αυξάνεται η πολυπλοκότητα της μοναδιαίας κυψελίδας. Οι πολυστρωματικές δομές αποτελούν, σήμερα, αντικείμενο συστηματικής μελέτης τόσο σε επίπεδο βασικής όσο και εφαρμοσμένης έρευνας. Το έντονο επιστημονικό ενδιαφέρον πηγάζει από την ασυνήθιστη δομική τους κατασκευή καθώς και από τις ενδιαφέρουσες ιδιότητες που εμφανίζουν και που βρίσκουν σήμερα πλήθος τεχνολογικών εφαρμογών. Ως κύριος στόχος της μελέτης τέτοιων συστημάτων μπορεί να θεωρηθεί ο καλός έλεγχος και η κατανόηση της ανάπτυξης της πολυστρωματικής δομής. Σχήμα 1.15: Σχηματική αναπαράσταση πολυστρωματικής δομής αποτελούμενης από δύο υλικά με κατάλληλες πλεγματικές σταθερές ώστε να σχηματίζονται επίπεδες και ομοιογενείς ενδοεπιφάνειες. Οι διαμορφωμένες δομές αναπτύσσονται σε θάλαμο υπερυψηλού κενού με διαδοχική επαναλαμβανόμενη απόθεση από δύο ανεξάρτητα υλικά σε κατάλληλο υπόστρωμα με τη βοήθεια ενός μηχανισμού κλείστρου. Ο χρόνος που το κλείστρο θα παραμείνει ανοιχτό (ή κλειστό) είναι ελεγχόμενος με αποτέλεσμα ένα μέσο πάχος t α από το υλικό Α να αναπτύσσεται ακολουθούμενο από ένα μέσο πάχος t β από το υλικό Β. Η όλη διαδικασία επαναλαμβάνεται Ν φορές. Η δομή αυτή συμβολίζεται Α/Β. Τα πάχη t α και t β αναφέρονται σαν επιμέρους πάχη ενώ το t α +t β =Λ σαν περίοδος διαμόρφωσης. Η δομή αυτή καλείται πολυστρωματικό υμένιο ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΠΟΥ ΣΧΕΤΙΖΟΝΤΑΙ ΜΕ ΠΟΛΥΣΤΡΩΜΑΤΙΚΑ ΥΜΕΝΙΑ Φαινόμενα γειτονίας στην ενδοεπιφάνεια: κάθετη μαγνητική ανισοτροπία Μεταλλικές πολυστρωματικές δομές από εναλλασόμενα στρώματα από μεταβατικά σιδηρομαγνητικά μέταλλα (Fe, Co, Ni) και ευγενή μέταλλα (Cu, Ag, Pd, Pt, Au) εμφανίζουν κάθετη μαγνητική ανισοτροπία και μπορεί να αξιοποιηθούν τεχνολογικά ως μαγνητο-οπτικά μέσα αποθήκευσης. Στα συστήματα αυτά, η ενδοεπιφανειακή μαγνητική ανισοτροπία κυριαρχεί και μπορεί να είναι κάθετη και εξαρτάται από τη φύση της ενδοεπιφάνειας. Το ενδοεπιφανειακό spin Μάριος Κοψίδης-ΔΠΜΣ-Ν&Ν Σελίδα 25