Aspekte in Natur und Technik

Transkript

1 Einführung Motivation Magnetismus - Sensoren Magnetismus - vom Atom zur Datenspeicherung

2 Einführung Motivation Magnetismus - Sensoren Aristophanes, Ornithes Φ 640 v.ch., Louvre, Paris Magnetismus - vom Atom zur Datenspeicherung ein Vortrag.... eher für Normalbürger statt für kluge Physikeulen..

3 Aspekte in Natur und Technik Bewegung/Kraftwirkung (groß und klein) Erzeugung magnetischer Felder Magnetismus Sensorik für magnetische Felder

4 Aspekte in Natur und Technik Mikroaktuatoren magnetische Materialien Motoren Bewegung/Kraftwirkung (groß und klein) Erzeugung magnetischer Felder Magnetit Fe 3 O 4 Trennung Nd 2 Fe 14 B Kraft Magnetismus Sensorik für magnetische Felder Optik elektrischer Widerstand Elektrischer Strom Wikipedia

5 Magnetismus und Naturwissenschaften Atomphysik Elementarteilchen haben Spin Spins: die kleinsten magnetischen Momente Magnetismus Momente sehen sich Momente bilden eine Ordnung Magnetfelder Elektrodynamik und Optik Kontrolle des Stromtransports geordnetes Kristallgitter Kontrolle des Magnetismus Festkörperphysik Biologie Magnetochemie Elektromagnetische Welle fundamental neue Effekte Geo-/Astrophysik Wikipedia Elektronik Spintronik Kristallographie

6 Nobelpreis Physik 2007 für die Entdeckung des Riesenmagnetwiderstands leider nicht für die Anwendung: Stuart Parkin Almaden Research Center IBM Research Albert Fert (b. 1939) of Unité Mixte de Physique CNRS/THALES Univ. Paris-Sud, France. Erster kommerzieller GMR-Sensor (1997) im Festplattenspeicher Peter Grünberg (b. 1938) Forschungszentrum Jülich Institut für Festkkörperforschung P. Grünberg, et. al., PRL 57, 2442 (1986). M. N. Baibich, et. al., PRL 61, 2472 (1988). IBM-Webpage?

7 Eigenschaften werden maßgeschneidert Festkörper Kontrolle auf atomaren Längenskalen Modellierung und Vorhersagen Physik spezifisch Magnetismus als Beispiel: Spin engineering Riesenmagnetwiderstand Exchange bias effect MRAM, Spinvalves, Spintronics ein Effekt führt in wenigen Jahren zu einer technologischen Revolution

8 Speicherdichte ohne Ende Stabilitätsgrenze (Super-Paramagnetismus)? IBM-Webpage

9 Viele Fragen.. und einige Antworten mikroskopischer Ursprung Magnetismus Kraftwirkung Magnetfeld magnetische Ordnung Showtanz der Elektronenpaare Datenspeicherung: verschiedene Medien und Effekte Magnetismus Halbleiter Optik vom physikalischen Effekt zur optimierten Anwendung Magnetismus Quo vadis magnetische Moleküle, Nanoteilchen, Spinelektronik

10 Ursprung des Magnetismus einzelner Elektronenspin und Bahn Bahnmoment Atomkern Ladung Z*e + Spin s Elektron Ladung e - Entdecker J.J. Thomsen (Nobelpreis 1906) Ladung: C Masse: kg Spin: ½ Zahl im Universum: Kompensation des Spins für volle Elektronenschalen

11 Äußeres Magnetfeld Stern-Gerlach Experiment O. Stern (Nobelpreis 1943) auf down Ein Strahl von Atomen mit beliebigem Spin Klassische Physik: Äußere Felder = Kräfte auf den Spin. Quantennatur: Die Spins haben nur zwei Richtungen. Wikipedia Das äußere Feld bestimmt die Richtung. Keine feste Ordnung.

12 Festkörper: Viele Atome mit verschiedenen Elektronen langsame Elektronen sind magnetisch schnelle Elektronen sind unmagnetisch

13 das kleine Intermezzo Ich bin der Grosse Spin und du machst Unsinn!.. Äh, JA! ich bin halt ein schnelles Elektron.

14 Dieses Bild ist nicht so schlecht Elektronen sitzen auf dem gleichen Atom: Physik Wechselwirkung

15 Stabilität nur in der Gemeinschaft Wir sind gute Partner!! Welche Elemente sind (Ferro)magnetisch? Was macht die Temperatur? Große Magnetismus Bereiche mitdatenspeicherung Kopplung sind stabil!?

16 Magnetismus im Periodensystem Ungepaarte Elektronen auf zwei Inseln: 3d FM 4f Magnetische Elemente: Fe, Co, Ni,.. Ti, V, Cr, Mn,,..

17 Spinausrichtung und Information Spinausrichtung zufällig Polarization = 0 Polarisation auf Polarisation ab Keine Information Informationsspur: Information Information Auslesen/Schreiben durch das äußere Felder: Spule und Sensor

18 Äußere Felder und Hysterese Magnetisierung 1 äußeres Feld keine Information Zwei stabile Zustände bei tiefen Temperaturen. 0

19 Temperatur und Ordnung konkurrieren perfekte Ordnung Pierre Curie keine Ordnung Nobelpreis 1903 niedrige Temperatur hohe Temperatur H. Zabel

20 Messung von Magnetfeldern Induktion in einer Spule störanfällig Optik kompliziert aber sicher, Auflösung begrenzt Magnetwiderstand klein und einfach, wenn empfindlich genug Materialien: Permalloy Ni 80 Fe 20, R/R=2-4% hier tauchen A. Fert und P. Grünberg auf

21 Widerstand von Vielfachschichten hängt von der Orientierung ab ~nm magnetische Schichten getrennt von einer dünnen metallischen Koppelschicht gleiche Ausrichtung grosser Strom verschiedene Ausrichtung kleiner Strom Strom

22 Nobelpreis Physik 2007 Peter Grünberg I GMR: Giant Magnetoresistance Riesenmagnetwiderstand Albert Fert Schichtpaket Fe/Cr/Fe R/R H = (R 0 -R H )/R H = 1.5% 40 * Schicht Fe/Cr/Fe R/R H = 80% Grünberg et al. (1989) Grenzfläche und Kopplung wichtig: normaler Effekt 2-4% Fert et al. (1988) P.M. Levy

23 Kontrolle der Kopplung Ziel: ohne äußeres Feld antiparallel großer Widerstand entspricht magnetischer Ordnung zwischen den Schichten verändere den Abstand (hier kommt S. Parkin ins Spiel) Cu Co Cu Co Cu S.S.P. Parkin et al, PRL 66, 2152 (1991) einzelne Atome!! P.M. Levy

24 Optimierung im Magnetfeld Vielfachschicht Spin-Ventil 110 R/R H = 110% R/R H = 8-17% Co 95 Fe 5 /Cu 10 Py/Co/Cu/Co/Py H (koe) H (Oe) NiFe Co nanolayer Cu Co nanolayer NiFe 1/10000 des Feldes zum Schalten FeMn S.S.P. Parkin

25 Eigenschaften werden maßgeschneidert Festkörper Kontrolle auf atomaren Längenskalen Modellierung und Vorhersagen Magnetismus als Beispiel: Spin engineering Riesenmagnetwiderstand Exchange bias effect MRAM, Spinvalves, Spintronics ein Effekt führt in wenigen Jahren zu einer technologischen Revolution

26 Der erste Festplattenspeicher IBM Ramdac (1956): unique device 1200 Umdrehungen/min 50 Scheiben 5 MB

27 50 Jahre später Miniatur Festplattenspeicher 2 cm Durchmesser 1000X kleiner 1000X Speicherplatz (4GB) 2004 Toshiba IBM jetzt Hitachi

28 Speicherdichte ohne Ende Stabilitätsgrenze (Super-Paramagnetismus)? Aktuell: Gigabit /square inch. 10 Jahre: - 10 Terabit /square inch. 20 Jahre: - 1 Petabit /square inch. - Zelle: 1 x 1 nm 2! Ed Grochowski, IBM Almadeen

29 Terabit "Tera" aus dem Griechischen: "Ungeheuer". Terabit: Eine Billion ( ) Bit. 16 Regalkilometern Aktenordnern pro Sekunde (bei 8-cm-Ordnern mit jeweils 250 Schreibmaschinenseiten mit 2000 Anschlägen).

30 Neue Entwicklungen FeRAM MRAM + Spintronik magnetische Speicherung PV + IV Ferroelektrische Speicherung PV Elektronik RRAM Grenzflächen korrelierter Elektronen lokaler Transport IV Schalten molekularer Systeme MU Molekulare Elektronik Skalierbarkeit? optische 3D Volumenspeicherung MU Holographie kohärente Quantensystems MU Skalierbarkeit? Coherent control

31 Magnetische Speicherzellen: MRAM - große Speicherdichte (~64Mbit) - große Lesegeschwindigkeit (< 3ns) - nicht flüchtig Strom Bit line Magnetic Random Access Memory Crosspoint Architecture Magnetischer Tunnelkontakt Speicherzelle FM2 Isolator FM1 B.Z. Wang Word line - erste Schicht ist Spin-Emitter - zweite Schicht ist Spin-Detektor - basiert auf Tunneleffekt

32 4Mb MRAM Schaltkreis 0.18µm CMOS 3 Lagen Aluminum 2 Lagen Kupfer 25ns Lese- und Schreibzeit Bit Cell Size = 1.55 µm 2 4Mb MRAM die N. Rizzo, Motorola

33 Noch kleiner: Spinstromschalter Ein polarisierter Strom dreht die Magnetisierung R 0 1 bistabiler Widerstand R(I) und Hysterese J. Z. Sun, et al., IBM J. Res. & Dev. 50 (2006) Strom

34 Zeittafel Peter Grünberg und Albert Fert, GMR: Nobel-Preis 2000 IBM und Infineon, gemeinsames Forschungsprogramm 2003 Cypress verkauft ersten MRAM chip, 128KBit July 2006 Freescale verkauft erste 4MBit chips August 2007 IBM und TDK, Arbeiten zum Spinstromschalter im 65nm Prozess (spin momentum transfer).. Ende offen

35 Genug ist Genug! und Vielen Dank Manuskript und Quellen auf -anfrage P. Lemmens, S. White, A. Doering, P. Kumar, D. Wulferding, M. Ghosh, P. Scheib, H.-D. Yan DFG-SPP1137: Molecular Magnets Spin State switching DFG: Magnetocapacitive spinels DFG: Thermoelectric Cobaltates ESF: Highly Frustrated Magnetism Vinnova: Designed Materials NMWK: Int. Graduate School on Metrology P. Lemmens, M. Ghosh, S. White, P. Scheib, A. Doering, P. Kumar, H.-D. Yan (fltr)

36 Spin-Transistor FM Metal Schottky Gate FM Metal Spin Injector Modulation Doped AlGaAs Spin Analyzer B InGaAs 2DEG Systeme mit Spinkohärenz: Streuung vernichtet Information Datta and Das, APL 56, 665 (1990)

37 MTJ Memory Cell Architecture Cross Point Matrix of Bit and Digit lines MTJ Metal 5 BL TE D1 D2 D3 B1 B2 Metal 4 DL BVia M 3 Via2 M2 Via1 M1 W1 W2 W3 Bit Cell N. Rizzo, Motorola

38 Das Trilemma GMR Read Sensor Inductive Write Element a Rauschen d Stabilität Beschreibbarkeit δ W N S S N N S S N N S S N N S B Recording Medium D* = 8-10 nm Übergangsbereich dominiert das Rauschen Superparamagnet: kleine Teilchen verlieren magnetische Ordnung Das Rauschen des Signals steigt bei kleinen Teilchen an. Stabilisierung durch erhöhte Anisotropie. Größere Anisotropie braucht größere Magnetfelder zum Schalten. St. Wu, Seagate

39 Senkrechtes Schreiben Bei senkrechten Schreiben ist das Medium Teil des Schreibkopfes Komplexität: weiche Unterlage senkrechte Anisotropie sehr kleine Körner Neue Idee: Unterlage mit Magnetfeldübergang G. J. Mankey

40 Senkrechtes Schreiben FePt hat eine senkrechte Anisotropie Die wechmagnetische Unterlage konzentriert das Magnetfeld der größeren Feldschuhe. Viel kleinere Bits. E. Riedel, Seagate

41 Heisses Schreiben Die Anisotropie und hohe Schreibfelder können mit Wärme reduziert werden. Laser: Schreiben im Fokus. E. Riedel, Seagate

42 J.C. Andy Huang Tunnelmagnetwiderstand

43 FeRAM Zustand 0 Positives E-Feld Positive Polarisation Zustand 1 Negatives E-Feld Negative Polarisation St. Bonetti, KTH Stacked cell FeFET