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/

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