36. Гігантські магніторезистивні головки

Гігантські магніторезистивні (англ.: Giant Magneto – Resistive, GMR) головки називаються так не через їх геометричні розміри, а за величиною магніторезистивного ефекту, який в них виникає. Він досягається за рахунок введення додаткового шару в надрешітку.

G

Рис. 1.35. Відносна зміна опору в GMR-матеріалах

MR - ефект був відкритий у 1988 - 1989 рр. А. Фертом і П. Грюнбергом. Експериментуючи з матеріалами надрешіток і їх товщинами їм вдалося довести величину зміни опору до 80% (див. рис. 1.35).

Такий ефект досягається завдяки тому, що звичайна GMR-головка складається з чотирьох тонкоплівкових (1-5нм) шарів (див. рис. 1.36):

1. Чутливий (sensing layer), виготовлено з залізонікелевого сплаву.

2. Провідний (conducting spacer), виготовлено із немагнітного матеріалу (найчастіше – міді).

3. Фіксований (pinned layer), виготовлено з кобальту, з зафіксованим напрямком намагнічення.

4. Обмінний (exchange layer), сильного антиферомагнетика, виготовленого, як правило, з FeMn або NiO.

Така структура отримала назву спінового затвору.

М

Рис. 1.36. Тонкоплівкові шари

GMR-головки

агнітна орієнтація чутливого шару змінюється в залежності від напрямку намагнічення бітів доріжок диску. Напрямок намагнічення всередині фіксуючого шару завжди однаковий, це досягається завдяки функціонуванню обмінного шару. В результаті сумарний опір чутливого і фіксованого шарів змінюється при проходженні над бітами диску – спрацьовує GMR-ефект, який в середньому в два рази більший за MR-ефект.

Переваги:

1. Вища чутливість ніж у MR-головки до слабких сигналів.

2. Вища щільність інформації для дисків де використовуються GMR-головки (до 100Гбіт/дюйм²).

3. Менші розміри.

4. Завадостійкість.

5. Не схильні до інтерференції сигналів.

38. Система паралельного (горизонтального) зберігання даних

У

Рис. 1.37. Система паралельного зберігання даних

цій системі на­магнічування робочого шару диску відбувається вздовж його руху (див. рис. 1.37). Він дозволяє здійснити щільність запису до 23Гбіт/см².

Дані записуються на диск, покритий феромагнітним запи­суючим шаром.

Система перпендикулярного (вертикального) зберігання даних (PMR)

У перпендикулярній системі запису даних орієнтація намагнічення доменів робочого шару перпендикулярна поверхні диску. Таке її розміщення вперше запропонував Ш. Івасакі у 1976 році.

Під робочим шаром диску чи стрічки знаходиться шар магніто­м’якого заліза (див. рис.1.38).

Магнітна головка, як і при поздовжньому записі, знаходиться з однієї сторони носія, але має відмінну від головки поздовжнього запису конструкцію. Полюси такої головки різні за поперечним перерізом - „гострий” і „тупий”. Густі силові лінії, які стікають з „гострого” полюса, записують дані на диск і, розтікаючись по м

Рис. 1.38. Система перпендикулярного зберігання даних

агнітом’якій основі, в розрідженому стані повертаються до „тупого” полюса. При цьому розріджені вони настільки, що вже не в стані перемагнітити носій. Таким чином, якщо в поздовжньому запису магнітне поле запису генерується між полюсами головки, то в перпендикулярному – між зрізом полюсу головки і магніто­м’якою основою диску. Тому домени записуючого шару орієнтуються вертикально, а основи – горизонтально. Це забезпечує додаткову стабільність положення доменів.

При перпендикулярному запису використовується набагато більш складний магнітний робочий шар. Під тонким захисним вуглецевим шаром знаходиться записуючий шар із окисленого сплаву кобальту, платини і хрому. Основа складається із двох антиферомагнітних шарів, які дозволяють зняти внутрішнє напруження магнітного поля.

Для зчитування інформації в системах з перпендикулярним магнітним записом потрібні принципово нові головки читання, які дозволяють значно збільшити співвідношення сигнал/шум і потужність самого сигналу. Тому деякі компанії вже починають застосовувати нове покоління головок на тунельному магніторезистивному ефекті (TMR Heads).

Система перпендикулярного магнітного запису дозволяє досягти щільність запису даних до 650Гбіт/дюйм² (теоретична межа).

Система магнітного теплового зберігання даних

Таку систему запису ще називають термоасистованою системою запису (англ.: HAMR – Heat Assisted Magnetic Recording, запис з попереднім нагріванням за допомогою лазера). Цей метод передбачає

Рис. 1.39 Головка HAMR (лазер для підігріву носія інтегрований в головку запису)

короткочасний (1пс) нагрів ділянки, на яку проводиться запис, до температури 380-400К. В HAMR - головку вбудований лазер (див. рис. 1.39). При проходженні такої головки над робочим шаром він нагрівається променем лазера, внаслідок чого зменшується магнітна сприйнятливість феромагнетика робочого шару. Відбувається зменшення площі петлі гістерезису. Це зменшення дає можливість переводити магнітний стан індукції зі стану ”0” в”1” і навпаки при менших значеннях індукції зовнішнього магнітного поля. Після проходження головки над нагрітою ділянкою її температура віднов­люється до норми і петля гістерезису відновлює свою попередню форму. Такий спосіб зберігання інформації дозволяє досягнути її щільності до 20Тбіт/дюйм².

Впровадження цієї технології потребує використання в якості магнітного робочого шару принципово нових матеріалів з високим анізотропією. Це, перш за все, дорогі сплави Fe₁₄Nd₂B, CoPt, FePt і Co₅Sm.

Система структурованого (патернованого) зберігання даних

Система патернованого зберігання даних є перспективною технологію зберігання даних на магнітному носієві [11]. Вона використовує для запису даних масив однакових магнітних комірок, кожна з яких відповідає одному біту інформації, на відміну від сучасних технологій магнітного запису, в яких біт записується на декількох доменах.

Як відомо, для підвищення щільності інформації на магнітному носієві необхідно зменшувати геометричні розміри області запису одного біту даних. В записаному стані ця область повинна бути стійкою до зовнішніх чинників і зберігати цей стан достатньо довго. Якщо розмір такої магнітної області дуже малий, можливе виникнення суперпарамагнітного ефекту, тобто нестійкості намагніченого стану в результаті теплового руху доменів. Це означає, що розмір області одного біту даних має певну фізичну межу, зменшення якої переводить феромагнетик в парамагнетик.

В

Рис. 1.40. Звичайна та патернована магнітні поверхні

сучасних носіях один біт даних записується на 70-100 дрібних „зерен” - магнітних доменів (див. рис. 1.40, зліва). Але теоретично кожне з таких структурних „зерен” може виконувати функцію домену і вміщувати в себе 1 біт інформації. В результаті з’являється можливість зменшити суперпарамагнітну межу: збільшити розміри одного „зерна” і зберігати одну одиницю інформації в меншій їх кількості.

В технології патернованого запису сотні маленьких магнітних доменів замінені одним великим зерном. Для цього проводиться додаткова обробка поверхні методом літографії, в результаті якої кожне велике зерно розміщується на деякому магнітоізольованому підвищенні (магнітний острівець на рис. 1.40, справа). Розміщення області одного біту даних на підвищенні дає можливість зменшити вплив теплового руху на стійкість намагніченого стану.

Головна складність створення такої системи зберігання даних – виробництво необхідних для неї носіїв. Для отримання матеріалу, який забезпечить щільність запису 1Тбіт/дюйм², розмір однієї магнітної області має бути 12,5нм. Методи літографії не можуть цього забезпечити, тому виробники пропонують використовувати самоорганізовані матеріали (наприклад, залізо-платинові сплави).

Т

Рис. 1.41. Перспективи розвитку магнітної пам’яті

акий спосіб зберігання інформації дозволяє досягнути її щільності до 4Тбіт/дюйм².

Перспективи розвитку нових методів запису і їх фізичні обмеження відображені на рис. 1.41. Видно, що фізичні обмеження перпендикулярного запису фактично досягнуті і на зміну йому повинні прийти термоасистована пам’ять та структуровані носії. На даному малюнку не відображені перспективи розвитку альтернативних методів зберігання даних (флеш, голографічних), які в досяжному майбутньому можуть скласти серйозну конкуренцію магнітним носіям.