La magnétorésistance géante
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La magnétorésistance géante et son application aux disques durs. R. Lardé Maître de Conférences Groupe de Physique des Matériaux UMR CNRS 6634 Université de Rouen [email protected] A. Fert. P. Grünberg. PLAN DE L’EXPOSÉ. I- Histoire de l’enregistrement magnétique.

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La magnétorésistance géante et son application aux disques durs

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- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Presentation Transcript


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

La magnétorésistance géante

et son application aux disques durs

R. Lardé

Maître de Conférences

Groupe de Physique des Matériaux UMR CNRS 6634

Université de Rouen

[email protected]


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

A. Fert

P. Grünberg

PLAN DE L’EXPOSÉ

I- Histoire de l’enregistrement magnétique

II- La magnétorésistance géante

III- Magnétorésistance et disques durs


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

I – Histoire de l’enregistrement magnétique

I

HISTOIRE

DE L’ENREGISTREMENT MAGNETIQUE


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

I – Histoire de l’enregistrement magnétique

1880: Oberlin Smith Principes théoriques de l’enregistrement magnétique

Le télégraphone

1898 : Poulsen (1869-1942)

Electro-aimant

Fils d’acier (corde à piano)

=1mm

Enregistrement magnétique de la voix


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

I – Histoire de l’enregistrement magnétique

1928 : La bande magnétique : une bande de papier "Kraft" revêtue d'une mince couche de fer.

1935 - 40: Le magnétophone à lampe amplificatrice (conception allemande)

Magnétophone à bande

Magnétophone à fil

Jusqu’à 1950, l’enregistrement magnétique est dédié à l’enregistrement du son


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

I – Histoire de l’enregistrement magnétique

1956 : Le 1er disque dur

IBM : Le RAMAC 305

50 disques en aluminium

recouverts d’une couche

magnétique (= 61 cm)

1200 tours par minute

Capacité : 5 Mo

Taux de transfert : 8Ko/s


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

I – Histoire de l’enregistrement magnétique

Tête de lecture/écriture

- Un seul bras de tête pour 50 plateaux

- Tête pressurisée (distance disque-tête : 20 m)

Pas de frottements


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

I – Histoire de l’enregistrement magnétique

L’ordinateur de bureau est un peu encombrant…..


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

I – Histoire de l’enregistrement magnétique


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

- Chaque plateau possède un bras

réduction des temps d’accès

- Technologie des têtes volantes

I – Histoire de l’enregistrement magnétique

1962 : Le RAMAC 1301

Disques en aluminium

recouverts d’une couche

magnétique (= 61 cm)

1800 tours par minute

Capacité : 28 Mo

Taux de transfert : 80Ko/s

Distance disques-têtes : 6 m

Bras de têtes

(peigne)


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

I – Histoire de l’enregistrement magnétique

Le premier disque dur amovible (1962)


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

I – Histoire de l’enregistrement magnétique

1973 : Le Winchester 3303 (IBM)

Ancêtre direct des disques durs modernes

Boîtier compact contenant les plateaux, les têtes et l’électronique.

Capacité 30Mo


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

I – Histoire de l’enregistrement magnétique

2007 - Le prix Nobel de Physique

A. Fert (1938)

P. Grünberg (1939)

Découverte de la magnétorésistance géante en 1988

Naissance de l’électronique de spin


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

I – Histoire de l’enregistrement magnétique

Effet de magnétorésistance géante

Application quasi-immédiate :

Têtes de lecture ultra sensibles pour disques durs

Augmention spectaculaire de la densité de stockage

et réduction de la taille des systèmes


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

II– La magnétorésistance géante

II

LA MAGNETORESISTANCE GEANTE


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

II– La magnétorésistance géante

Magnétorésistance : Variation de la résistance électrique d’un matériau provoquée par l’application d’un champ magnétique.

Le champ magnétique perturbe la diffusion des électrons au sein du matériau

Augmentation ou diminution de la résistance électrique

Perturbations de natures différentes

4 types de magnétorésistances

Anisotrope

Tunnel

Ordinaire

Géante

couplage spin orbite

Force de Lorentz

Diffusion dépendante du spin

Forte diminution de R quand H augmente


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

II– La magnétorésistance géante

Conduction électrique dans les métaux

Courant électrique dans un matériau conducteur

Circulation des électrons

spin +1/2 "up"

e-

2 types d’électrons

e-

spin -1/2 "down"

Constitution d’un atome


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

électrons

Atomes

Trajectoires

électroniques

Vibrations des atomes

(agitation thermique)

Perturbation de la trajectoire des électrons (diffusion)

II– La magnétorésistance géante

Matériaux conducteurs

Courant électrique dans un matériau conducteur

Circulation des électrons

I

I

Matériau conducteur

(ex: Cu,Ag, Cr…)

Résistance électrique


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

électrons

atomes

Moment magnétique

N

S

Atome

(ex :Fe, Co, Ni)

Aimant

II– La magnétorésistance géante

Matériaux conducteurs ferromagnétiques

I

I

Matériau ferromagnétique

(ex: Fe, Co, Ni)

Vibrations des atomes + Interaction magnétique

(agitation thermique) (diffusion dépendante du spin électronique)

Résistance électrique


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

-50%

Cr

S

N

3 nm

Fe

Cr

N

S

Fe

0,9 nm

Cr

H

Résistance électrique en fonction du champ magnétique

Baibich et al, Phys. Rev.Lett. 61 (1988)

II– La magnétorésistance géante

Découverte de la magnétorésistance géante dans un matériau multicouches Fe/Cr: empilement de couches magnétiques de Fe et de couches non magnétiques de Cr

R

I

I

Diminution de R quand H augmente


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

II– La magnétorésistance géante

Multicouches magnétorésistives :

mécanisme de diffusion dépendante du spin

Modèle de Mott : modèle à 2 courants

Conduction par deux canaux indépendants d’électrons

e- spin down

e- spin up


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

e- spin up

I

e- spin down

+

(

R

R

)

=

(

)

1

­¯

­­

R

eq

2

II– La magnétorésistance géante

En champ magnétique nul (H=0):

configuration antiparallèle (résistance élevée)

Fe

Cr

Cr

Fe

Cr

R

R

I

I

N

S

R

R

N

S

Couplage antiferromagnétique, H=0


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

II– La magnétorésistance géante

e- spin up

I

e- spin down

H

×

×

2

R

R

=

(

)

2

­¯

­­

R

eq

+

(

R

R

)

­¯

­­

En champ magnétique non nul (H0):

configuration parallèle (résistance faible)

Fe

Cr

Cr

Fe

Cr

R

R

I

I

N

N

R

R

S

S


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

II– La magnétorésistance géante

Applications

Têtes de lecture de disques durs


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

III – Magnétorésistance et disques durs

III

Magnétorésistance et disques durs


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

III – Magnétorésistance et disques durs

Constitution d’un disque dur


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

Codage des bits 0 et 1:

S

N

1

0

0

1

Transition S-N ou N-S

Transition N-N ou S-S

Enregistrement longitudinal

S

N

N

S

S

N

S

N

III – Magnétorésistance et disques durs

Comment coder et stocker de l’information sur les plateaux ?

Les informations vont être stockées sous forme de séquences de bits "0" et de "1".

Ecriture des séquences 01001101… sur des pistes.

Plateau

Pistes


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

B

B

B

B

N

N

N

S

S

S

S

S

S

N

N

N

S

S

S

N

N

N

N

N

N

S

S

S

B

B

B

B

III – Magnétorésistance et disques durs

Principe de lecture des données

La lecture des données va se faire par détection de champ magnétique.

Pour une transition N-N ou S-S

Au niveau de la transition, proche de la surface

champ magnétique de fuite perpendiculaire important

Facilement détectable

Bit "1"


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

III – Magnétorésistance et disques durs

Pour une transition N-S ou S-N

Au niveau de la transition,

champ de fuite perpendiculaire nul

Pas de détection

Bit "0"

Un "0" est en fait une absence de "1"


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

Tête de lecture

=

Détecteur de champ magnétique

1

0

0

1

La tête de lecture a fait 4 mesures aux temps t1, t2, t3 et t4 et a détecté une séquence "1 0 0 1"

S

N

N

S

S

N

S

N

III – Magnétorésistance et disques durs

Lecture des données par détection du champ magnétique de fuite.

S

N

Piste magnétique

Lignes de champ magnétique

t 3

t4

t2

t1

Horloge

commande

l’ouverture de la fenêtre de mesure

à intervalles de temps réguliers


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

Couche protectrice

Couche magnétique

Support

CoCrPt

30-50 nm

Al

ou

verre

III – Magnétorésistance et disques durs

Constitution des plateaux

Il faut que les plateaux contiennent des petits aimants !


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

10 nm

III – Magnétorésistance et disques durs

Structure de la couche magnétique

Elaboration par dépôt de couches minces.

Enregistrement longitudinal = Aimantations dans le plan du disque

Epitaxie

Grains magnétiques séparés par du Cr


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

III – Magnétorésistance et disques durs

Grains magnétiques séparés pas du Cr

Aimantation globale

d’un grain

(1 domaine magnétique)

Cr

Réduire le couplage magnétique entre grains


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

Courant

d’écriture

Transition

Orientation aléatoire de l’aimantation

Bobine

Tête d’écriture

Entrefer

S

N

N

S

Longueur B

Tête d’écriture = tête inductive

Mr

Mr

Largeur W

1 bit = N grains cristallographiques

Courant

d’écriture

I < 0

I > 0

III – Magnétorésistance et disques durs

Principe d’écriture des données

Plateau

(couches magnétique)


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

III – Magnétorésistance et disques durs

Organisation en pistes

pistes

1

1

1

1

1

Espace

inter-pistes

Pistes

W < 0,5 m


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

III – Magnétorésistance et disques durs

Observation des bits de données en microscopie à force magnétique

pistes

Zones brillante = "1"

Zones sombres = “0"


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

III – Magnétorésistance et disques durs

Les têtes de lecture/écriture

3 mm

Bras

4.025 mm

Contacts

électriques

Bras

Têtes

Rail

Epaisseur du rail

400 m

Slider

=

Support de tête

Slider

Forme aérodynamique du slider

Les têtes vont voler au dessus de la surface des plateaux (v ~ 120 km/h)

Détermine la hauteur de vol (distance têtes-plateaux ~ 10 nm )


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

III – Magnétorésistance et disques durs

Technologie de têtes volantes(Air Bearing System)

têtes

"Tapis d’air "

slider

Plateau

Plateau au repos

Plateau en rotation


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

III – Magnétorésistance et disques durs

Lorsque les têtes s’écrasent


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

Tête d’écriture

III – Magnétorésistance et disques durs

Courant

de lecture

Courant

d’écriture

slider

Bobine

Bouclier

magnétique

Entrefer

Tête de lecture

~ 5 m


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

III – Magnétorésistance et disques durs

Tête de lecture

200 nm

E. Cadel (GPM)

Bouclier magnétique

E. Cadel (GPM)

Observation de têtes au microscope électronique

Entrefer


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

III – Magnétorésistance et disques durs

Disque dur en action

Transfert de données

d’un Cd-Rom vers le disque dur

(R. Lardé, GPM UMR CNRS 6634)


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

III – Magnétorésistance et disques durs

Augmentation de la densité de stockage

Densité de stockage = Nombre de bits par unité de surface

En 1956 : 2000 bits/Inch2 (~ 300 bits/cm2)

En 2003 : 100 Gbits/Inch2 (~ 15 Gbits/cm2)

Diminution de la taille des bits

Prévisions : 50 Tbits/Inch2 (~ 750 Gbits/cm2)


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

Longueur l2

Largeur W2

1 bit = N2 grains cristallographiques

Longueur l1

Longueur l3

Largeur W1

Largeur W3

RSB

Si N

1 bit = N1 grains cristallographiques

1 bit = N1 grains cristallographiques

III – Magnétorésistance et disques durs

Comment faire pour diminuer la taille des bits

1

Diminution de la taille du bit

par réduction du diamètre

des grains

2

2

Diminution de la taille du bit

par réduction du nombre

de grains

RSB(rapport signal sur bruit)

RSB  N


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

B

B

B

B

Diminution

de la taille des bits

III – Magnétorésistance et disques durs

On ne peut se contenter de la seule réduction de taille des bits !

Réduction de la taille des bits = diminution de l’intensité des champs de fuite détectables

têtes

faible gradient de champ

B

B

B

B

H : hauteur de vol

S

S

S

N

N

N

N

N

N

S

S

S

S

S

S

N

N

N

N

N

N

S

S

S

m

m

m

m

têtes

gradient de champ important

H : hauteur de vol

Augmentation du bruit de fond

Il faut donc réduire la hauteurde vol et augmenter la sensibilité des têtes de lecture.


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

Couche anti-ferromagnétique

Couche magnétique libre

Cu

Cu

Courant de lecture

Couche anti-ferromagnétique

I

Couche piégée

Cu

Couche libre

Couche piégée

B

III – Magnétorésistance et disques durs

Des têtes de lecture plus sensibles

En 1988 : Albert Fert découvre la magnétorésistance géante (MRG)

Apparition des vannes de spin

Un champ magnétique très faible

provoque une forte variation de la

résistance électrique

On détecte les champs de fuite par variation de la résistance électrique.


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

III – Magnétorésistance et disques durs

Détection des champ de fuites ( détection des bits "1“)

Lignes de champ magnétique

Vanne de spin

Variation de la résistance électrique


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

III – Magnétorésistance et disques durs


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

III – Magnétorésistance et disques durs

Autres technologies utilisées pour augmenter la densité de stockage :

L’enregistrement perpendiculaire

Les aimantations ne sont plus dans le plan des plateaux mais perpendiculaires aux plateaux.

Enregistrement perpendiculaire

Enregistrement longitudinal


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

III – Magnétorésistance et disques durs

Evolution de la densité de stockage

Densité de stockage (Gb/inch²)

Années


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

Les disques durs

1952 - 2008

RAMAC 1311 (1962)


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

Les disques durs


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

Fin


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

m

m

III – Magnétorésistance et disques durs

Diminution de la taille des bits : la limite physique du super-paramagnétisme !

Dans une nanoparticule magnétique l’orientation de l’aimantation est déterminée par l’axe d’anisotropie

Axe d’anisotropie

Etat instable

La barrière d’énergie  V

Aimantation stable pour K.V >> k.T

Etat stable

Etat stable

Si V trop faible K.V ~ kT

Fluctuation de l’aimantation

par agitation thermique

m

Kv

Perte de l’information stockée

E = K.V.sin()2


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

III – Magnétorésistance et disques durs

Vaincre le super-paramagnétisme !

Diminuer la température(disques à azote liquide)impensable !!

Maintenir l’aimantation stable par un couplage magnétique

(piégeage)

AFC media (IBM 2001)

Solutions retenues

Augmentation de l’anisotropie

Utilisation de matériaux magnétiquement durs (anisotropie plus forte)

Problème:

Champ d’écriture nécessaire beaucoup plus élevé

Ecriture assistée par LASER


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

III – Magnétorésistance et disques durs

Enregistrement assisté par LASER

Le champ d’écriture seul n’est plus suffisant pour orienter les aimantations.

Le LASER apporte de l’énergie thermique.

k.T + B

Retournement de l’aimantation

LASER

Courant

d’écriture

Bobine

Grains magnétiques

à forte anisotropie

Entrefer


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

III – Magnétorésistance et disques durs

Autres technologies utilisées pour augmenter la densité de stockage :

Les "patterned media"

aimantation

Organisation de plots FePt (forte anisotropie) sur la surface du disque

50 TBits/inch2

Un seul grain (plot) par bits


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

Cu

M

3d-

I+

EF

R

R

­

­

­

3d+

I-

4s

4s

Diffusion 4s+ 4s+ pour les spin up

Diffusion 4s- 3d- pour les spin down

I-1.4. LE MÉCANISME : la diffusion dépendante du spin

2 canaux indépendants

4s+ (spin up) et 4s- (spin down)

Modèle de Mott (1936)

Métaux

de transition

(Cu, Fe, Co…)

les électrons 4s véhiculent

le courant électrique

Couche de Fe

Couche Cr

M

Evénements de diffusion :


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

EF

3d-

R

R

­

3d+

4s

4s

I-1.4. LE MÉCANISME : la diffusion dépendante du spin

Retournement d’aimantation

Couche Cr

Couche de Fe

M

Cu

I-

I+

M

La diffusion des électrons dépend de l’orientation du spin

par rapport à l’aimantation


La magn tor sistance g ante et son application aux disques durs

I

I

R

­

¯

R

­

¯

R

R

­

­

­

­

R

­

­

R

R

R

­

­

¯

¯

­

­

H

×

×

2

R

R

=

(

)

2

­¯

­­

R

+

eq

+

(

R

R

)

(

R

R

)

=

(

)

1

­¯

­­

R

­¯

­­

eq

2

I-1.4. LE MÉCANISME : la diffusion dépendante du spin

Champ magnétique nul

Champ magnétique élevé

Distribution aléatoire

des moments magnétiques

Moments magnétiques

alignés avec le champ

Les 2 canaux subissent le même nombre

de diffusions 4s 3d

Seul le canal de spin down subit

la diffusion 4s 3d

Résistance élevée

Résistance faible


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