La magnétorésistance géante (GMR)
1/ Histoire d’une découverte
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
2 / Les applications de la GMR
BB
R
Principe de la détection de champ par une vanne de spin
Couche « piégée »
Couche « libre »
Couche centrale non magnétique : non représentée
2-1 : A l’intérieur d’un disque dur : tête de lecture GMR
2-2 : Détecteur de mouvement
Quelques exemples de capteur de champ magnétiqueutilisant l’effet GMR
5 109 têtes GMR vendues de 1997 à 2007
Marché
IBM Ultrastar 36ZX (SCSI server disk)• 10 plateaux• Capacité 36 GB• 10 000 RPM
2-1 : Voyage à l’intérieur d’un disque dur
10 cm
2-1 : A l’intérieur d’un disque dur
Actionneur positionneur de têtes
Châssis de montage
Axe vertical central rotatif 4500-15000 tours/minute
Patin (AlTiC,…)
Patin
disque Couche magnétique
Tête
Suspension - bras mobile
Plateaux circulairesrigides (Al, verre,…)
supportant le dépôt de matériau magnétique
Têtes écriture & lecture
Circuit électronique des têtes
1 µm
10 cm
2-1 : A l’intérieur d’un disque dur
Schéma d’un disque dur
Vitesse de rotation du disque : 10000 tours /minute
Rayon = 3 cm
2-1 : A l’intérieur d’un disque dur
Echelle 1/32000~un Boeing 747 volant à 8mm au dessus du sol
vitesse = 30 m/s
Une mécanique de précision
Distance tête / disque : hauteur de vol : quelques nm
Coupe transversale d’un disque2-1 : A l’intérieur d’un disque dur
Substrat : fin, rigide, résistant aux chocs, rugosité faible
couche lubrifiantecouche protection
Couche ferromagnétique (PtCo….) : support de l’information
15 nm
couche tampon en Cr
Organisation d’un disque en pistes (vue du dessus)
pistes
distance entre les centres de deux pistes : 160 nm
Pourquoi peut-on utiliser une nanoparticule ferromagnétique pour le stockage d’une information ?
En champ appliqué nul : deux états possibles
correspondant à des directions opposées du moment
z
Un champ appliqué permet de changer d’état
Bret : champ de retournement B
Mz
- Bret + Bret
2-1 : A l’intérieur d’un disque dur
La couche ferromagnétique est faite de nanoparticules
zones de moment uniforme
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
Dans chaque bit : quelques dizaines de nanoparticules ferromagnétiques
x
y
r
piste de garde
Largeur du bitLargeur de la transition
« track pitch » 160 nm
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
1
1
0
00
1
Ecriture
Tête d’écriture : petit électro-aimant
média
transitionbit
v
bobine Ie
circuit magnétique
2-1 : A l’intérieur d’un disque dur
B
Mz
- Bret + Bret
10 nm
Champ appliqué B positif ou négatif 1 T
Largeur de l’entrefer 10 nm
retBB
Lecture2-1 : A l’intérieur d’un disque dur
Capteur de champ magnétique utilisant l’effet GMR
épaisseur quelques nm
U résistance du capteur
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
2-1 : A l’intérieur d’un disque dur
Les capteurs GMR ont permis d’améliorer les deux critères
2-1 : A l’intérieur d’un disque dur5 109 tetes GMR vendues de 1997 à 2007
1997
2-1 : A l’intérieur d’un disque dur
60 cm
1,2 m 10000 $ /Mb
0.05 $ /Mb
1 byte = 8 bits
Perspectives2-1 : A l’intérieur d’un disque dur
Super-paramagnetique limite !!!!
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 30-nanometer to 50-nanometer range, or about 2,000 times smaller than the width of an average human hair.
The newly developed technology is named current perpendicular-to-the-plane giant magnetoresistive heads
"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.
Hitachi Announces 4TB Disk Drives through New Head Technology
Géométrie CPP
I
V
Géométrie CIP
I
V
2-1 : A l’intérieur d’un disque dur
2-1 : A l’intérieur d’un disque dur : tête de lecture GMR
2-2 : Détecteur de mouvement
La plupart des véhicules contiennent des matériaux ferromagnétiques
dans leur chassisDétection de véhicules
Sources de champ magnétique
2-2 : Détecteur de mouvement
Capteurs de mouvements
rotationtranslation
Plusieurs fabricants : marché
2 - 2 : Détecteur de mouvement
1/ Histoire d’une découverte
3/ De la magnétorésistance géante à l’électronique de spin
2 / Les applications de la GMR
Les jonctions tunnel et les MRAM
Partie 2 / Les applications de la GMR
Principe d’une jonction tunnel
En présence d’une différence de potentiel entre deux électrodes métalliquesun électron a une certaine probabilité de passer à travers une barrière isolante
3 : MRAM
Cours de Physique Quantique
1/ Un effet quantique
I
V Al
AlAl2O3
Courant non nul !
TMRTunelling Magnetoresistance
2/ Lorsque les électrodes sont ferromagnétiques, l’effet tunnel dépend du spin de l’électron
I
V
la probabilité tunnel dépend de l’orientation - du spin de l’électron
- des moments des deux couchesFe
FeMgO
Jonctions tunnel magnétorésistives
Barrière isolante Mg0 ou Al203
Couche ferromagnétique libre
Couche ferromagnétique « piégée »
I
V
100 nm
Stocker 1 Stocker 0
Couche ferromagnétique piégée
I
V
Etat anti parallèle Etat parallèle
Résistance élevée Résistance faiblep
pap
RRR
Al2O3 : 70 %
MgO : 400%
3 : MRAM
Pour passer de la configuration parallèle à antiparallèle appliquer un champ qui retourne le moment de la couche libre
Yasua et al 2005
Image faite en microscopie électronique à transmission
%200R
RR
p
pap
Difficulté majeure : couche isolante de quelques nm sans défauts !!
Fe / MgO / Fe
3 : MRAM
MRAM : écriture
Dispositif vertical bien adapté aux hautes densités
Une mémoire NON volatile à faible consommation électrique
Insensible aux radiations Usage spatial
MRAM : lecture Mesurer la résistance
3 : MRAMAppliquer un champ qui détermine
l’orientation du moment de la couche libre
1 bit
Magnetic Random Access Memory
PtMn (200 Å)
CoFe (20 Å)
NiFe (20Å)
IrMn (60Å)
Ru (50 Å)
Ta (50 Å)
Al2O3 (9 Å)
CoFe (20 Å)
Ru (8 Å)
Ta (100 Å)
Élément de mémoire MRAMutilisant la TMR 2008
3 : MRAM
1975 : Existence d’un effet tunnel dépendant du spin à 4 K (Jullière, Rennes) : pas reproductible
MRAM : de la découverte aux applications
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
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)
3 : MRAM
Conclusion
1935 1970 1988
N. Mott : modèle à deux courantsPour le transport dans un ferromagnétique
A. Fert : preuve expérimentaledans un matériau massif
A. Fert / P. Grünberg : Découverte GMRdans des multicouches
19971991
Spin valve
Tête de lecture GMR parallèle
2007
Tête de lecture GMR
perpendic
ulaire(démonstrateur)
2007Prix Nobel
Pour en savoir plus
http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2007/
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