Опубликован: 16.01.2014 | Уровень: для всех | Доступ: платный
Лекция 11:

Новейшие наноразмерные технологии записи на магнитные диски. Магниторезистивная память

< Лекция 10 || Лекция 11: 12345 || Лекция 12 >

Переход к отдельным доменам

До освоения технологии "перпендикулярной" записи каждый "бит" на магнитной дорожке состоял из многих десятков магнитных доменов. Технология магнитной записи с локальным нагревом благодаря применению очень магнитожесткого материала позволила записывать информацию в принципе на каждый отдельный магнитный домен. Поэтому следующее совершенствование связано с тем, что магнитожесткий слой на поверхности диска формируют не сплошным, а в виде регулярного массива из отдельных ферромагнитных наностолбиков, каждый из которых представляет собой один самостоятельный магнитный домен (англ. Bit Patterned Media).

Изготовление таких массивов с помощью технологий нанолитографии натолкнулось на ограниченные возможности последних. Максимум, на что они были способны по состоянию на 2010 г., показывает изображение изготовленного по такой технологии массива наностолбиков, полученное с помощью электронно-растровой микроскопии ( рис. 11.5). Диаметр наностолбиков составляет здесь 25-30 нм.

Массив цилиндрических столбиков из ферромагнитного материала, изготовленный с помощью нанолитографии (изображение в растровом электронном микроскопе)

Рис. 11.5. Массив цилиндрических столбиков из ферромагнитного материала, изготовленный с помощью нанолитографии (изображение в растровом электронном микроскопе)

Альтернативой был поиск таких технологий формирования ферромагнитных наностолбиков, в ходе которых формировались бы самоорганизованные массивы столбиков (англ. self-ordered magnetic array – SOMA). В частности оказалось, что при медленном испарении раствора сплава FePt в гексане островки этого сплава оседают на специально подготовленную подложку в виде приблизительно одинаковых монокристаллических зерен размером в несколько нанометров, самоорганизованных в геометрически правильный массив.

На рис. 11.6 показана микрофотография одного из таких массивов в просвечивающем электронном микроскопе, сделанная при увеличении в 145 тысяч раз. Диаметр магнитных зерен (вытянутых по вертикали, т.е. перпендикулярно к плоскости изображения) составляет здесь несколько меньше 7 нм. Имеются сообщения о формировании подобных массивов с диаметром магнитных зерен до 2,4 нм. Такой самоорганизованный массив теоретически обеспечивает плотность записи информации свыше 10 Тбит/см2.

Однако обеспечить такую плотность записи на практике не просто. Возвращаясь к схеме на рис. 11.4, мы видим, что, во-первых, острие (тонкое "плечо") записывающей головки тоже должно иметь в поперечнике размер порядка диаметра одного магнитного зерна. Во-вторых, энергию нагрева надо сосредоточить уже не на участке размером порядка 100 нм, как это было раньше, а на участке размером меньше 20-50 нм. Оптическими методами такая концентрация энергии излучения лазера уже недостижима (из-за дифракционного ограничения). Решение первой задачи требует дальнейшего развития нанотехнологий изготовления еще более миниатюрных записывающих головок. Путь решения второй задачи уже наметился. Это – применение оптики поверхностных плазмонов.

Самоорганизованный массив "зерен" ферромагнитного материала, сформированный при испарении гексанового раствора (изображение на просвет в электронном микроскопе при увеличении 145000Х)

Рис. 11.6. Самоорганизованный массив "зерен" ферромагнитного материала, сформированный при испарении гексанового раствора (изображение на просвет в электронном микроскопе при увеличении 145000Х)

Использование поверхностных плазмонов

Поверхностный плазмон – это волна переменной плотности электрического заряда, которая может возникать и распространяться в электронной плазме металла вдоль его поверхности или вдоль тонкой металлической пленки в сопровождении неразрывно связанной с ней электромагнитной волны. Чаще всего поверхностные плазмоны возбуждают оптически с использованием т.н. "геометрии Кречмана", изображенной на рис. 11.7.

Схема оптического возбуждения поверхностных плазмонов. 1 – прозрачная среда с высоким показателем преломления; 2 – тонкая металлическая пленка

Рис. 11.7. Схема оптического возбуждения поверхностных плазмонов. 1 – прозрачная среда с высоким показателем преломления; 2 – тонкая металлическая пленка

Падающий свет проходит здесь сквозь прозрачную среду 1 с относительно большим показателем преломления, например, сквозь призму из оптического стекла под углом, превышающим угол полного внутреннего отражения, на тонкую металлическую пленку 2, нанесенную на поверхность призмы. Часть света проникает в металл и возбуждает колебания свободных электронов металла (электронной плазмы, – отсюда и название "плазмоны"). И в этой плазме возникают поверхностные плазмонные волны. При условиях, если (1) свет поляризован так, что его электрический вектор лежит в плоскости падения, и (2) проекция k_х волнового вектора k фотонов света на плоскость пленки равняется волновому вектору k_s поверхностного плазмона, – при этих условиях практически вся энергия света превращается в энергию плазмонных волн, а интенсивность отраженного от металлической пленки света резко падает.

Это явление называют "поверхностным плазмонным резонансом". Энергия колебаний плазмонной волны сосредоточена в очень тонком (100-200 нм) слое возле поверхности металлической пленки. Скорость распространения плазмонной волны в несколько раз меньше скорости света в вакууме. Поэтому при той же частоте колебаний длина плазмонной волны во столько же раз меньше, чем длина волны света в вакууме. Благодаря этому плазмонные волны удается сконцентрировать на участке намного меньших размеров, чем световой пучок.

Схема такого плазмонного "концентратора" показана на рис. 11.8.

Схема преобразования лазерного пучка в поток поверхностных плазмонов и концентрации его на краю рабочей грани мини-призмы

Рис. 11.8. Схема преобразования лазерного пучка в поток поверхностных плазмонов и концентрации его на краю рабочей грани мини-призмы

Он состоит из оптической мини-призмы, на верхнюю рабочую грань которой нанесена пленка золота. На одном из концов пленка золота выполнена в виде волновода для плазмонов, сужающегося к ребру рабочей грани. Когда сфокусированный лазерный пучок падает сквозь боковую грань мини-призмы и дальше сквозь нее на пленку золота под резонансным углом, то почти вся его энергия превращается в энергию плазмонов, движущихся вдоль поверхности золотой пленки. Длина свободного пробега поверхностных плазмонов, свыше 10-20 мкм, достаточна для того, чтобы дойти до края рабочей грани мини-призмы. Золотая пленка образует для плазмонов своеобразный волновод-концентратор и, сужаясь до 10-40 нм на краю рабочей грани, уплотняет плазмоны в поток с большой плотностью энергии. На краю грани, расположенном на расстоянии порядка 10 нм от поверхности магнитного диска, в условиях "ближнего поля", о котором мы рассказывали в лекции 1, плазмоны взаимодействуют с зернами ферромагнетика, отдавая им свою энергию. Это и приводит к локальному разогреву отдельных зерен ферромагнетика в пределах области размером меньше 50 нм.

Уже наметился и интересный "обходной путь" к дальнейшей минимизации записывающей головки. Специалисты Технологического института в г. Карлсруе и Института физики микроструктур при университете Галле на Заале (Германия) показали, что магнитные домены нанометровых размеров можно переориентировать не только с помощью магнитного, но также и с помощью электрического поля. Это дает надежду на то, что уже вскоре записывающие индуктивные головки, возможно, можно будет заменить на более компактные записывающие электрические головки.

< Лекция 10 || Лекция 11: 12345 || Лекция 12 >
Ольга Клюева
Ольга Клюева

Некорректно сформулированные задания. Нужна помощь в выполнении

Несибели Спандияр
Несибели Спандияр
Казахстан, Алматы, КазНАУ
Юлия Яцуненко
Юлия Яцуненко
Россия, г. Махачкала