Master 1 Université d EVRY De l isolant l au supraconducteur: le magnétisme en couches minces Alexandra Mougin mougin@lps.u-psud.fr 1
2 Le magnétisme Un exemple : l ordinateur On le trouve partout, à toutes les échelles Unité centrale, écran, ses périphériques, supports de stockage et d échange de données éléments ou mécanismes faisant appel au magnétisme et à ses fabuleuses propriétés. Et il semble bien que l on ne puisse pas se passer du magnétisme dans les ordinateurs le futur proche annonce des mémoires vives non plus à charge électrique, mais magnétique. Quant aux disques durs: lamécanique actuelle va disparaître? Le magnétisme incontournable?
3 Le magnétisme «classique» Alimentation électrique: le transformateur écessaire pour abaisser la tension d alimentation alternative 220V vers les basses tensions continues 5V et 12V de l ordinateur, on le trouve aussi dans les écrans et bien d autres périphériques. L enroulement primaire parcouru par le courant alternatif induit un courant dans l enroulement secondaire lié au premier par une carcasse guidant le flux magnétique. Le rapport entre le nombre de spires des deux enroulements fixe le rapport de transformation. Haut-parleur & Microphone: bobine mobile Le haut-parleur, comme le microphone dynamique, utilise une membrane fixée à une bobine mobile placée dans un champ généré par un aimant permanent. HP: le son est généré en excitant la bobine à l aide d un courant modulé conformément au son à reproduire. Micro: le son arrivant sur la membrane génère dans la bobine un courant induit qu on va enregistrer.
4 Le magnétisme «en couches minces» Dans un ordinateur: nanomagnétisme et stockage de l information.
5 Enregistrement numérique On code une information avec des 0 et des 1 Codage sur 8 bits = 2 8 = 256 valeurs 0 1 0 1 1 0 0 0 zoom 255 1 octet 0 1 photo de 1 Megapixels = 32 Mo!!!
6 Enregistrement numérique La préhistoire : les cartes perforées 1 trou = 0 pas de trou = 1 Densité: 4 bits/cm2 32 Mo: 6400 m 2 - terrain de foot
7 Enregistrement numérique magnétique 1956 : Le 1 er 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
8 Enregistrement numérique magnétique Tête de lecture/écriture - Un seul bras de tête pour 50 plateaux - Tête pressurisée (distance disque-tête : 20 µm) pas de frottements
9 Enregistrement numérique magnétique Le premier disque dur amovible (1962)
10 Enregistrement numérique magnétique 1973 : Le Winchester 3303 (IBM) Ancêtre direct des disques durs modernes Capacité 30Mo Boîtier compact contenant les plateaux, les têtes et l électronique.
11 Disque dur magnétique: principes.
12 Enregistrement numérique magnétique Matériaux magnétiques : Assemblage de petits moments magnétiques permanents qui se comportent comme des petits aimants. Petits aimants alignés dans la même direction et le même sens somme des champs individuels champ global issu de l aimant (magnet de frigo). Possible localement d orienter de petits aimants dans la même direction mais des sens différents champ global nul mais des champs locaux persistent. Dans un support magnétique numérique, la matérialisation des valeurs 0 et 1 est basée sur le sens des petits aimants. Tout l enjeu de l enregistrement magnétique est de pouvoir lire ces petits champs locaux et de pouvoir orienter localement les petits aimants dans les deux sens, et rapidement si possible!!!
13 Disque dur magnétique: principes. Les informations vont être stockées sous forme de séquences de bits "0" et de "1". Ecriture des séquences 01001101 sur des pistes. Codage des bits 0 et 1: Pistes Plateau ou 0 ou 1 Transition - ou - Transition - ou - 1 0 0 1 Enregistrement longitudinal
Disque dur magnétique: lecture des données 14 La lecture des données va se faire par détection de champ magnétique. Pour une transition - ou - B B Au niveau de la transition, proche de la surface champ magnétique de fuite perpendiculaire important Facilement détectable Bit "1"
Disque Enregistrement dur magnétique: magnétique: lecture des lecture données 15 Pour une transition - ou - Au niveau de la transition, champ de fuite perpendiculaire nul Pas de détection Bit "0" Un "0" est en fait une absence de "1"
Disque dur magnétique: lecture des données 16 Tête de lecture = détecteur de champ magnétique Lecture des données par détection du champ magnétique de fuite. B B Piste magnétique 1 0 0 1 t 4 t 3 t 2 t 1 Lignes de champ magnétique Horloge Commande l ouverture de la fenêtre de mesure à intervalles de temps réguliers La tête de lecture a fait 4 mesures aux temps t 1, t 2, t 3 et t 4 et a détecté une séquence "1 0 0 1"
Disque dur magnétique: lecture des données 17 En 1988 : Albert Fert découvre la magnétorésistance géante (MRG) PRIX OBEL 2007 Apparition des vannes de spin Courant de lecture Couche anti-ferromagnétique Couche magnétique libre Cu I Couche anti-ferromagnétique Couche piégée Cu Couche libre B Couche piégée 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.
18 Disque dur magnétique: constitution Il faut que les plateaux contiennent des petits aimants! Couche Magnétique Couche protectrice Elaboration par dépôt de couches minces upport CoCrPt 30-50 nm 10 nm Al ou verre Aimantation globale d un grain= 1 domaine magnétique Grains magnétiques séparés par du Cr
Longueur B 1 bit = grains cristallographiques Disque dur magnétique: écriture Largeur W Courant d écriture Bobine 19 Entrefer B Plateau (couches magnétique) Orientation aléatoire de l aimantation Transition Tête d écriture I < 0 Courant d écriture I > 0 Ecriture des données par application d un champ magnétique qui oriente l aimantation dans une zone spécifique
Disque dur magnétique: écriture 20 Organisation de pistes pistes 1 1 1 1 1 Espace inter-pistes Pistes W < 1 μm
21 anomagnétisme et recherches actuelles Evolution de la densité de stockage Diminution de la taille des bits Vers la limite physique du super-paramagnétisme Alternatives liées à la problématique densité. Matériaux plus anisotropes (orientation de l aimantation t déterminée par l anisotropie ) écriture?? Media discontinu (un bit = un plot) Enregistrement perpendiculaire Ecriture thermoassistée. Et toute la problématique de la dynamique.non abordée