Нанотехнологии в магнитной записи информации.

Конструктивной основой диска винчестера служит тонкая шайба из Al-Mg сплава, покрытая для придания твердости и гладкости 10-микронным слоем стекла или аморфного NiР (рис. 1). На него напыляют 20 нм слой Cr, который служит подложкой для собственно магнитного носителя. Обычно им является 20 нм слой магнитотвердого сплава СоРtCr, легированного бором. Для придания необходимых трибологических свойств наружной поверхности диска и защиты магнитного слоя от механических повреждений, поверх последнего напыляют 10 нм углеродный слой, а затем смазывающий (~ 1 нм).

Рис. 1. Поперечное сечение жесткого магнитного диска с индукционной записывающей и считывающей магнитной головкой на эффекте гигантского магнитосопротивления.

К магнитному слою предъявляют требования, обычные для магнитотвердых материалов, используемых в постоянных магнитах и системах магнитной записи. Он должен иметь как можно более прямоугольную петлю магнитного гистерезиса и обладать высокой остаточной магнитной индукцией и коэрцитивной силой. От этих характеристик зависит амплитуда и крутизна сигнала в считывающей головке, а, следовательно, и порог разрешения двух расположенных рядом битов. Из простой теории вытекает, что разрешение растет с уменьшением зазора между головкой и магнитным слоем и падением толщины последнего. В современных системах на жестких магнитных дисках оба эти размера приближаются к 10 нм.

Уменьшение всех поперечных размеров бита по мере уплотнения записи не может происходить до бесконечности, т.к. это приводит к резкому ухудшению отношения сигнал/шум. Шумовая компонента обусловлена в основном зеренной структурой магнитного слоя. Чем мельче зерно, тем ниже шум. Поэтому главное направление нанотехнологии в этом вопросе - выращивание пористой структуры, представленной столбчатыми нанокристалами. В современных жестких дисках на площади одного намагниченного бита уменьшается несколько сот зерен с поперечником около 10 нм, т.е. вклад одного зерна в намагниченность измеряется долями процента. Однако поддерживать это соотношение по мере уменьшения размеров бита можно лишь до определенных пределов, поскольку термическая стабильность намагниченности падает с уменьшением размеров зерна. При некотором критическом значении последнего (зависящего от температуры Т) ферромагнитные свойства исчезают и материал становится парамагнитным (эффект размерного суперпарамагнетизма). Для Т=300К этот критический размер составляет всего несколько нм. При достигнутых к настоящему времени поперечниках зерна ~ 10 нм и Т = 300К время жизни намагниченного состояния оценивается величиной около 10 лет. Таким образом, в рамках существующей концепции предел миниатюризации записи на магнитном диске практически уже достигнут.

Преодолеть этот барьер можно в искусственной магнитной среде, в которой отдельные зерна размером в несколько десятков нм будут разделены немагнитным веществом. Принцип «одно зерно – один домен» потребует очень упорядоченного расположения магнитных областей в немагнитной матрице. Их можно создавать методами нанолитографии или контролируемой самосборки. Уже имеются экспериментально осуществленные демонстрации эффективности такого подхода. Другой путь в том же направлении – создание нанопористых сред и получение на их основе новых магнитных материалов с уникальными свойствами путем заполнения пор магнитными наночастицами. Хорошим примером, который подсказывает природа, являются биологические молекулы ферритина. Они представляют собой полые сферы, заполненные кристаллическим оксидом железа 5Fe₂O₃9H₂O. В зависимости от количества атомов железа, заключенных в этой полости (оно может меняться от нескольких штук до нескольких тысяч), и температуры нанокристаллик может демонстрировать ферромагнитные, антиферромагнитные или парамагнитные свойства. Ожидается, что на таких или подобных магнитных наноструктурах удастся в ближайшей перспективе создать высокоплотные носители информации с плотностью записи ~ ТБ/см², что примерно на 2-3 порядка превышает таковую в существующих сейчас коммерческих системах записи/хранения информации. Матрицей для размещения таких ферромагнитных нанокристалликов могут служить другие наноструктурированные материалы: цеолиты, пористый кремний, нанопористые полимеры и др.

Увеличить отношение сигнал/шум в магнитных системах записи/хранения можно не только уменьшением размеров бита информации, но и улучшением чувствительности и избирательности считывающей магнитной головки. Известно, что в принципе любые материалы меняют свою проводимость под действием магнитного поля на ту или иную величину. Так, в металлах под действием силы Лоренца траектории движения носителей заряда – свободных электронов – искривляются, в результате чего удельное сопротивление ρ растет (исключение составляют ферромагнетики, в которых оно падает с ростом поля – эффект Кондо). Обычно эти изменения невелики: у хороших металлов типичное значение Δρ/ρ ≈ 10^-4 при В = 1 Тл.

Еще в начале 90-х годов прошлого века в оксидах типа La_1-x(Са,Ba)_xMnO₃ со структурой перовскита был открыт эффект «гигантского» магнитосопротивления, т.е. изменения ρ во много раз под действием умеренных магнитных полей. Наиболее сильно он проявляется в эпитаксиальных пленках и многослойных структурах. Физические причины эффекта состоят в следующем. В отсутствии магнитного поля спины носителей в соседних слоях этих многослойных структур сориентированы антипараллельно как у антиферромагнетиков. При наложении магнитного поля достаточной величины все они ориентируются по полю, и рассеяние носителей на границах резко уменьшается. В некоторых манганитах (многокомпонентных соединениях на основе оксида Mn) эффект достигает восьми порядков величины, в связи с чем его стали называть «колоссальным». Потенциальные возможности таких материалов связывают с созданием высокочувствительных магнитных головок для сверхплотных носителей информации. Однако для широкого практического применения необходимо значительно снизить необходимые магнитные поля и повысить рабочую температуру, при которых эффект еще будет иметь достаточную величину.