SOLUŢII DE ÎMBUNĂTĂŢIRE A PERFORMANŢELOR MEDIILOR DE ÎNREGISTRARE LONGITUDINALĂ

Prof. Dr. Ing. Horia GavrilăUniversitatea “Politehnica” din Bucureşti

Facultatea de Electrotehnică

1. INTRODUCERE

Înregistrarea magnetică a informaţiei a cunoscut un progres permanent şi tot mai accelerat. Acest progres, de numai 25-30% pe an până în anii 80’, a ajuns astăzi la peste 100%, odată cu introducerea mediilor în strat subţire şi a senzorilormagnetorezistivi (MR), aşa încât densitatea de suprafaţă a înregistrării şi viteza acesteia se dublează în mai puţin de un an.

Acest uriaş progres se datorează unor importante descoperiri în domeniul ştiinţei materialelor, al procesării semnalului şi al tehnologiei înregistrării. Dar ne-am apropiat totodată de limitele teoretic posibile ale densităţii de înregistrare, limite impuse de considerente energetice privind stabilitatea termică şi de raportul semnal/zgomot, chiar dacă cercetări recente par a dovedi că elepot fi depăşite.

Până ce înregistrarea perpendiculară, potenţial superioară, va deveni integral accesibilă, au fost propuse diverse soluţii pentru a îmbunătăţi performanţele înregistrării longitudinale. Dintreacestea, cele mai promiţătoare sunt înregistrarea longitudinalăcu straturi de stabilizare termică şi mediile de înregistrarealcătuite din nanoparticule monodiperse de mare anizotropie în configuraţii autoorganizate. Ambele tipuri de medii au dovedit o mai bună stabilitate termică, un nivel redus de zgomot şi o mai înaltă rezoluţie a semnalului, ceea ce duce la o densitate mai mare de înregistrare şi la un raport semnal/zgomot (SNR) superior. Înţelegerea corectă a proprietăţilor magnetice ale acestor medii este esenţială pentru aprecierea corectă a potenţialului lor de înregistrare.

2. SOLUŢII DE ÎMBUNĂTĂŢIRE A BARIEREI DE ENERGIE

Degradarea termică a informaţiei înscrise, adică efectul superpara-magnetic, reprezentă factorul limitativ cel mai important în cazul unei înregistrări longitudinale de mare densitate. Cea mai bună descriere a fenomenului o dă coeficientul de stabilitate termică

κ = KuV/(kBT),unde Ku este constanta de anizotropie uniaxială a materialului, Veste volumul grăuntelui magnetic, kB – constanta lui Boltzmann şi T– temperatura. Valoarea minimă a acestui coeficient care asigurăstabilitatea termică a mediului este de circa 55.

În scalarea clasică a înregistrării longitudinale atât V cât şi aşanumita grosime magnetică Mrδ (Mr – magnetizaţia remanentă, δ– grosimea fizică a mediului de înregistrare) sunt reduse proporţional. Dar aceasta duce la limitarea lui κ şi faciliteazăinversarea activată termic a magnetizaţiei peste bariera sa de energie magnetică KuV.

O soluţie posiblă de creştere efectivă a volumului V al grăunţelor magnetice este un strat magnetic mai gros decât diametrul grăuntelui. Atunci volumul – şi deci stabilitatea termică – va creşte fără a creşte densitatea grăunţelor şi zgomotul mediului –argument asemănător celui invocat în favoarea înregistrării perpendiculare. Dar, spre deosebire de mediile perpendiculare, configuraţia magnetizaţiei este aici mult mai puţin favorabilă, deoarece factorul demagnetizant creşte considerabil cu grosimeamediului, iar rezoluţia la citire scade dramatic.

În adevăr, fie un strat intermediar (2), uniaxial antiferomagnetic (AF), cuplat prin schimb cu stratul magnetic de înregistrare (1). Barierade energie este:

∆W α (Ku,1 – wd,1)V1 + Ku,2V2;V1 and V2 reprezintă de fapt grosimile straturilor, deoarece bariera de

energie se calculează pentru un grăunte cilindric izolat. Densitateaenergiei demagnetizante wd,1 implică numai stratul feromagnetic, deoarece în componenta AF a structurii nu există interacţiuni magnetostatice. Energia cuplajului de schimb se presupune mult mai mare decât toate celelate forme de energie, aşa încât volumelecuplate comută simultan.

Avantajul construcţiei: întrega zonă magnetic activă se află lângă cap, iar stratul magnetic rămâne subţire, asigurând o înaltă rezoluţie la lectură. La înregistrare, zona magnetic activă fiind lângă cap,interacţiunea magnetică este foarte eficientă, deoarece utilizează zona cea mai intensă a câmpului capului.

Dar... Pentru a fi eficient din punctul de vedere al stabilităţii termice, termenul Ku,2V2 trebuie să fie mare şi deci constanta deanizotropie Ku,2 să fie comparabilă cu cea a stratului magnetic. Or, cele mai multe materiale AF, cu o structură cristalină cubică,au o anizotropie limitată, iar cele care nu sunt cubice au structuri cristaline complexe, ce impun temperaturi de procesare ridicate. Datorită însă difuziei chimice, mare la aceste temperaturi, este greu de obţinut o compoziţie chimică corectă a straturilor. Textura şi constantele de reţea trebuie de asemenea corect alese,pentru a menţine cuplajul cu stratul de înregistrare. Apoi, lăţimile pereţilor de domenii sunt în relaţie inversă cu energia deanizotropie a materialului. Dacă grosimea stratului AF este mult mai mare decât lăţimea peretelui, se poate întâmpla ca stratulAF să nu mai comute − şi aceasta duce la creşterea instabilităţii termice a informaţiei înregistrate, iar procesul de înregistrare este mai lent − lucru deosebit de important pentru vitezele maride lucru uzuale în sistemele de disc.

Se mai poate împrumuta un element al tehnologiei de realizare aînregistrării perpendiculare, utilizând ca strat de bază un stratmagnetic moale de captare a fluxului (keeper). Interacţiunile magnetostatice dintre stratul de înregistrare şi stratul magneticmoale duc la închiderea fluxului magnetic pentru configuraţia unui bit înregistrat prin stratul moale. Se reduce astfel energia demagnetizantă, lucru util în special atunci când transductorul capului nu se află în apropierea bitului de interes. Tranziţia magnetică este atunci mai stabilă, iar la citire va fi mai îngustă.

Soluţia are două dezavantaje: (i) la citire, semnalul primit de capeste mai slab; (ii) la înregistrare, o parte a fluxului capului este îndepărtată de stratul de înregistrare, deci trebuie produs un fluxmai puternic.

În concluzie, nici una din aceste soluţii nu este mai avantajoasă decât simpla mărire a anizotropiei stratului magnetic activ.

3. MEDII CUPLATE ANTIFEROMAGNETIC

Conceptul bistratului cuplat AF a evoluat astfel. S-a găsit că, dacă grosimea este bine controlată, se poate realiza un cuplaj deschimb AF inserând un strat de Cr între două straturi fero-magnetice din Fe. S-a mai observat că dacă stratul de Cr sedepune între două straturi feromagnetice din Co, cuplajul deschimb poate fi F sau AF. În felul acesta, magnetizaţiile celor două straturi feromagnetice pot fi de sens opus. Dacă momentele magnetice ale celor două straturi sunt egale, ele se compensează şi se obţine o structură AF sintetică. Mai recent, s-a descoperit că, adăugând un strat de Ru hcp de circa 0,8 nm grosime straturilor de Co, cuplajul de schimb se intensifică considerabil.Flexibilitatea de proiectare a sistemului poate fi mult mărită utilizând o structură AF sintetică cu un alt strat de cuplaj AF dinRu între acesta şi stratul magnetic activ din aliaj de Co.

Creşterea densităţii de înregistrare la mediile convenţionale, în condiţiile îmbunătăţirii stabilităţii termice şi a raportului SNR almediului, se poate obţine reducând grosimea magnetică (Mrδ) amediului. În acest sens, au fost propuse recent structuri de mediicu straturi de stabilizare termică, cunoscute sub denumirea de medii cuplate antiferomagnetic (CAF).

Un mediu CAF este format din două straturi subţiri feromagnetice,desemnate prin indicii S (sus) şi J (jos), separate printr-un stratde Ru, a cărui grosime este aleasă astfel încât să asigure cuplarea lor AF prin schimb (fig.1). Mediul CAF este format din grăunţe necuplate prin schimb, dar fiecare structură de grăunţe acoperă ambele straturi, datorită cuplajului AF. La o asemenea structură, grosimea magnetică efectivă este

(Mrδ)eff = (Mrδ)S - (Mrδ)J .

iar bariera efectivă de energie este cuprinsă în plajaKSVS < KSVeff < KSVS + KSVJ,

unde KSVS şi KSVJ sunt energiile grăunţelor dinstratul superior şi cel inferior. Mediul CAFpermite astfel scalarea mărimii (Mrδ) fără a compromite stabilitatea termică.

Fig.1. Reprezentarea schematică a unui mediu CAF.

Fig.2. Ciclu tipic de histerezis a unei structuri CAF.

În figura 2 este reprezentat ciclul de histerezis al unei structuri CAF, cu stratulS din CoPtCrB, cu (Mrδ)S= 3,8 mA şi un strat J dinCoPtCrTa, cu (Mrδ)J = 1,5 mA. În prezenţa unor câmpuri intense, cuplajulAF este depăşit şi magnetizaţiile celor două straturi devin paralele. Reducerea câmpului subcâmpul de schimb efectiv Hexc duce la inversarea magnetizaţiei stratului J,astfel încât la remanenţă magnetizaţiile celor două straturi sunt antiparalele.

Magnetizaţia stratului de stabilizare J, anulează parţial magneti-zaţia stratului de înregistrare S, ceea ce determină reducerea grosimii magnetice, dar numai dacă inversarea magnetizaţiei stratului J se realizează în primul cadran al ciclului de histerezis. Reducerea grosimii magnetice se obţine astfel ca rezultat alcompetiţiei dintre energia de anizotropie şi energia culpajului deschimb AF. Parcurgerea unui ciclu minor în jurul lui Hexcprevine inversarea magnetizaţiei stratului J. Lăţimea cicluluiminor constituie o măsură a câmpului coercitiv Hc,J al acestui strat, iar centrul ciclului este o măsură adecvată a câmpului Hexc.Sistemul prezintă o înaltă rezoluţie a semnalului şi un zgomot denivel foarte redus, datorită reducerii grosimii magnetice (Mrδ), impusă de cerinţa îmbunătăţirii parametrului a al tranziţiei. La un mediu convenţional monostrat, contribuţia mediului lavaloarea parametrului a rezultă din formula

a = [(Mrδ)(d + δ/2)C/Hc]1/2,

unde Hc este câmpul coercitiv al mediului, d - distanţa cap-mediu, iar C este o constantă determinată de ceilalţi parametri ai înregistrării. Aplicabilitatea relaţiei ar putea fi pusă la îndoială în cazul structurilor CAF, deoarece grosimea δ a mediului poate creşte chiar dacă grosimea magnetică (Mrδ) scade, iar semnalul provine din suprapunerea contribuţiilor celor două straturi.

Totuşi, este surprinzător că în cazul mediilor CAF mărimea PW50poate scala cu valoarea medie a grosimii magnetice a mediului într-un mod asemănător celui observat la mediile monostrat. Dar PW50 depinde atât de (Mrδ)eff al mediului cât şi de grosimea magnetică a fiecăruia din cele două straturi care compun mediul. La un mediu în simplu strat, mărimea PW50 este legată deparametrul tranziţiei a prin relaţia:

PW50 = 2[g2 + (d + a)2]1/2,(2g – grosimea întrefierului capului), observaţia precedentă sugerând valori asemănătoare ale parametrului a.

Reducerea lui (Mrδ) duce la o valoare mai redusă a parametrului a, iar creşterea grosimii fizice totale a stratului îmbunătăţeşte stabilitatea termică, datorită unui volum mai mare al grăuntelui faţă de mediul convenţional. Structura permite optimizarea independentă a grosimii magnetice şi a stabilităţii termice, prin ajustarea grosimii şi proprietăţilor magnetice ale fiecărui strat. Stabilitatea termică se ameliorează dacă stratul inferior are o anizotropie magnetică mai puternică şi dacă cuplajul de schimb AF J dintre cele două straturi este mai puternic − observaţiiconfirmate experimental.

Totodată, s-a constatat că în cazul unui mediu CAF corect realizat câmpul de scriere este mai redus decât în cazul unui mediu monostrat stabil şi cu un raport SNR înalt.

La scriere capul de înregistrare defineşte mai întâi tranziţia în stratul S, în vreme ce câmpul capului saturează stratul destabilizare J. Tranziţia în stratul J este determinată apoi deinteracţiile de schimb cu stratul S. Capacitatea sistemului de aavea la remanenţă magnetizaţiile celor două straturi orientateantiparalel impune o limită superioară pentru grosimea şi coercitivitatea stratului J. Altfel spus, sistemul trebuie să asigure satisfacerea condiţiei Hexc > Hc,J.

Reducerea grosimii magnetice (Mrδ) se poate realiza şi prin creş-terea parametrului de schimb J, ceea ce se poate obţine inserând straturi de interfaţă subţiri din Co care să încadreze stratul intermediar din Ru (fig.3,b), creşterea grosimii acestor straturi suplimentare ducând la creşerea lui J.

Fig.3. Diferite tipuri de medii cu structură CAF: a – structură normală;b – structură cu J îmbunătăţit; c – structură multistrat.

Deşi starea remanentă este termic stabilă, activarea termică joacăun rol major din punctul de vedere al proprietăţilor de inversarea magnetizaţiei în mediile CAF. Hexc este mic în comparaţie cucâmpurile de anizotropie ale celor mai multe aliaje pe bază de Co folosite la fabricarea mediilor de înregistrare, dar energia termică determină, cu o anumită întârziere, reducerea câmpului Hc,J sub valoarea Hexc, permiţând orientarea antiparalelă amagnetizaţiilor celor două straturi. Există deci un interval detimp între momentul îndepărtării câmpului capului şi cel alinversării magnetizaţiei stratului J. Timpul de relaxare areconsecinţe asupra înregistrării. Dacă el este foarte mic (de circa 1 ns), inversarea magnetizaţiei stratului J poate afecta înscrierea tranziţiei următoare, ducând la o deplasare variabilă a tranziţiei. Dacă acest timp este lung (de ordinul secundei), se poate castratul J să nu aibă timp să comute pe durata unei rotaţiicomplete a discului, ceea ce va afecta semnalul citit.

Starea de echilibru termic a stratului J după înregistrare determină şi alte caracteristici ale procesului de înregistrare. Astfel, un neajunsmajor al configuraţiei CAF este deplasarea neliniară a tranziţiei,deoarece în timpul scrierii atât stratul de înregistrare cât şi cel destabilizare sunt saturate în aceeaşi direcţie, producând un câmp demagnetizant mult mai puternic în momentul înscrierii tranziţiei.

Pentru a controla asemenea efecte, trebuie cât mai bine caracterizate scările de energie şi de timp relevante pentru cele două straturi şi interacţiile dintre ele, ceea ce se obţine măsurând dependenţele degrosime şi de temperatură ale ciclurilor majore şi minore dehisterezis, preferabil prin conceperea unor experimente în care acestea să poată fi măsurate direct în procesul de înregistrare.

O valoare mică a câmpului coercitiv Hc şi o valoare mai mare a Hexc,necesare pentru a obţine reducerea grosimii magnetice (Mrδ), se pot obţine şi prin reducerea grosimii stratului de stabilizare, deşi reducerea (Mrδ) astfel realizată nu este în general suficientă.

Aceasta se mai poate obţine şi prin creşterea constantei de schimbJ, dar o asemenea soluţie duce de regulă la scăderea SNR. Pentru corectarea acestui nejuns a fost propusă structura multi-strat reprezentată în figura 3,c, capabilă să asigure creşterea Hexcla orice valoare a lui J. Reducerea (Mrδ) se datorează aici celor două straturi de stabilizare, care pot fi mai subţiri decât în cazul configuraţiei CAF bistrat, ceea ce duce şi la reducerea lui Hc şila creşterea lui Hexc, simultan cu reducerea zgomotului. Totuşi,acest neajuns nu este inerent configuraţiei, aşa încât se vor găsialiaje capabile de un schimb AF mărit, fără degradarea SNR.

Explicaţii posibile pentru originea stabilităţii termice asigurate destructurile CAF la valori reduse ale grosimii magnetice (Mrδ):

i. Alinierea antiparalelă a momentelor asigură reducerea grosimii magnetice chiar dacă stratul de înregistrare este mai gros decât în cazul unui mediu monostrat. Stratul de stabilizare are rolul de a reduce (Mrδ), stabilizarea termică fiind consolidată prin creşterea grosimii stratului de înregistrare.

ii. Existenţa unui efect de volum, constând în creşterea barierei deenergie, datorită creşterii energiei de anizotropie (KuV). În cazul mediilor CAF grăunţele celor două straturi cresc epitaxial şi pot fi asimilate unui singur grăunte, de volum mărit.

iii. Existenţa unui efect de suprafaţă, deoarece J este o constantă deenergie de suprafaţă, iar prezenţa sa la cele două interfeţe ducela un surplus de energie.

Fiecare din aceste alternative au putut fi justificate prin rezultate experimentale, dar nu concomitent.

În general, configuraţia CAF bistrat poate îmbunătăţi coeficientulde stabilitate κ cu circa 20%. În condiţii de laborator s-auobţinut recent în cazul mediilor cu structură CAF densităţi deînregistrare puţin peste 100 Gb/in2, la valori de 3.5 … 3.7 mA şi chiar de 2.5 mA ale grosimii magnetice a mediului, iar pentru aplicare comercială în sistemele de calcul mobile (laptop) valoride peste 35 Gb/in2.

4. MEDII CONFIGURATE

O cale foarte importantă de reducere a zgomotului mediului constă în eliminarea fluctuaţiilor statistice ale semnalului prin utilizarea unor grăunţe magnetice foarte regulate ca dimensiuni şi dispunere, orientate toate în aceeaşi direcţie. În ultimii ani, acestconcept a constituit un subiect preocupant, deoarece densităţilede înregistrare ce se pot obţine atunci corespund dimensiunii minime a particulelor termic stabile. Sursa majoră de zgomot nu mai este mediul, ci metoda de găsire şi adresare a particulelor individuale. Presupunând că s-ar putea găsi o cale de a fi adresate, chiar particulele de Co pur au o capacitate deînmagazinare de mai mulţi Tb/in2, ceea ce înseamnă că particulele din materiale cu anizotropie mai ridicată pot fi dedimensiuni şi mai mici.

Industria microtehnologiilor, care a realizat în ultimul timp progrese remarcabile, prin continua reducere a dimensiunilor dispozitivelor, este pusă astăzi în faţa unor bariere fundamentale. Principalele domenii cărora li se adresează această industrie sunt micro-electronica şi înregistrarea datelor. În domeniul microelectronicii,limitele difracţiei o obligă să caute noi căi de litografiere. Dificultăţi asemănătoare sunt întâlnite şi în domeniul înregistrării datelor;dimensiunile biţilor înregistraţi descresc mai repede decât limitele acceptate în microelectronică. Stabilitatea în timp a datelor înscrise adevenit un obiectiv major în realizarea discurilor dure. Una dinsoluţiile propuse pentru depăşirea limitelor actuale o constituie aşa numitele medii magnetice configurate, care permit depăşirea limiteide superparamagnetism a actualelor medii în strat subţire. Deşi densitatea datelor înregistrate în sistemele de disc s-a dublat practic în fiecare an, timpul de acces s-a redus cu numai 7% pe an, discrepanţăcare determină o diminuare a performanţelor calculatoarelor desktop.

Principala cauză a acestui inconvenient este însăşi arhitectura sistemelorde disc dur. Timpul de acces este determinat în principal de timpul necesar discului pentru a se roti până în poziţia dorită. Ori, în construcţia actuală există numai câte un cap pentru fiecare latură adiscului, aşa încât raportul dintre numărul de capete şi cel al biţilordin disc scade rapid, odată cu creşterea capacităţii sale. Ideal ar fi ca acest raport să nu depindă de capacitate. Din punct de vedere mecanic, soluţia ar fi mărirea numărului de capete, ce vor trebui concepute ca o configuraţie de 32 × 32 microcapete de scriere/citire baleiată pe mediul de înregistrare. Sistemul se poate baza pe principiide detecţie de natură optică, mecanică, termică sau magnetică.Utilizând o schemă de înregistrare magnetică discretă, se poate atinge teoretic o densitate de ordinul Tb/in2.

Un mediu configurat constă dintr-o dispunere plană foarte regulată deelemente columnare de diferite forme, de dimensiuni mai mici decât limita lor critică de monodomenialitate, cu o puternică anizotropie magnetică uniaxială.

S-a propus o înregistrare a mediului configurat, în care fiecărui bit să-i fie atribuit un element columnar, sistem avantajos atunci când aceste elemente ar fi monodomeniale. Datorită caracterului monodomenialal fiecărui element, înscrierea sa este un eveniment “tot sau nimic” (1sau 0), iar capul nu mai trebuie poziţionat exact deasupra bitului. Apoi, SNR al semnalului citit este mult mai bun, datorită absenţei zgomotului mediului şi deplasării tranziţiilor, iar limita de superpara-magnetism a densităţii de înregistrare este mult superioară celei aactualelor medii în strat subţire.Cerinţele proiectării unui mediu configurat:

(i) Dispunerea elementelor într-o matrice 2D extrem de regulată.(ii) Material cu o puternică anizotropie uniaxială, pentru ca elementele

să fie monodomeniale şi termic stabile.(iii) O distribuţie îngustă a câmpului de comutare, asigurată prin forma

şi dimensiunile cât mai uniforme ale elementelor.(iv) Numărul de “biţi răi”, datoraţi absenţei unor elemente sau

neomogeneităţilor materialului magnetic să fie cât mai mic.

S-au propus diverse metode de producere a mediilor configurate.Ele sunt de două tipuri: tehnicile litografice şi SOMA.

Tehnicile litografice de configurare submicronică. Concepţia originală constă în configurarea unei suprafeţe mari dintr-un material cu cuplaj de schimb, la dimensiunea dorită a bitului. Dacă se cere îmbunătăţirea densităţii de suprafaţă a înregistrării, această arie trebuie să fie redusă ca dimensiuni. Dacă suprafeţele sunt prea mari, poate apărea o structură multidomenială, iar prezenţa pereţilor de domenii duce la scăderea coercitivităţii, în vreme ce amplitudinea zgomotului creşte, deoarece momentulmagnetic net al fiecărei configuraţii de bit poate fluctua, în funcţie de poziţia de fixare a pereţilor. Dacă se utilizează grupuri de particule izolate, apare riscul fluctuaţiilor statisticeale semnalului de ieşire.

Cerinţa configurării unor arii mari pune probleme severe tehnologiei deconfigurare, încă nepuse la punct nici în laboratoarele de cercetare.În prezent sunt utilizate diferite tehnici litografice. Pentru selectarea variantei celei mai convenabile, trebuie avute în vedere trei criterii: (i) prestabilirea proprietăţilor de material; (ii) capabilitatea procesului de definire a configuraţiei; (iii) influenţa procesului de configurare asupra proprietăţilor magnetice finale ale elementelor.

Calcule confirmate experimental au stabilit dimensiunile minime aleunui element cubic la care acesta mai este termic stabil: ferita de Ba: 8 nm; aliaje pe bază de Fe sau Co: 4 nm; aliaje PR-MT (TbFeCo, deexemplu): 12 nm; multistraturi pe bază de Co: 7 nm.

Cu toate dezavantajele, tehnicile litografice au un potenţial remarcabil.Unul din avantajele mediilor definite litografic este capacitatea de apredefini informaţia referitoare la pistă şi la servosistemul deantrenare. Până acum, producătorii au evitat însă să facă acest lucru, datorită costului mare al mediului şi dificultăţii de realizare a unor configuraţii de disc concentrice la rotirea cu viteză controlată amotorului de antrenare.

A doua cale de configurare a mediilor magnetice este procesul natural degenerare a unor rânduri magnetice auto-ordonate (SOMA = self-ordered magnetic arrays). Există reacţii chimice care generează sau materiale biologice care formează o structură de particule mono-dimensionale. Pentru realizarea unor densităţi foarte mari deînregistrare, de ordinul a 200 Gb/in2 (30 Gb/cm2) au fost propuse medii de înregistrare alcătuite din nanoparticule de mare anizotropie monodisperse (riguros aceeaşi formă şi dimensiuni). Nanomagneţii sintetizaţi chimic au distribuţii extrem de înguste ale dimensiunilor, ceea ce favorizează configurarea auto-organizată şi permit – potenţial– densităţi de ordinul a 1 bit/particulă, echivalând cu 10 – 50 Tb/in2.

Printre materialele cu o foarte puternică anizotropie, o atenţie specială este acordată fazei L10 a aliajului echiatomic CoPt şi a aliajului Fe-Pt,termic stabile până la diametre ale grăunţelor de 3 – 4 nm, ceea ce corespunde unei constante de anizotropie uniaxială Ku = 5⋅106 J/m3 şi,respectiv, 6.6⋅106 J/m3. Pentru a sintetiza rânduri de nanoparticulemono-disperse cu un diametru de 4 nm din aliaj Fe-Pt, au fost folosiţi stabilizatori organici în soluţii neapoase.

Metode de sinteză asemănătoare au fost utilizate şi pentru obţinerea unor nanoparticule din Co, dar în cazul preparării nanoparticulelor din aliaj CoPt de mare anizotropie nu s-a mai putut realiza un control satisfăcător al procesului. În acest din urmă caz, un control mai bun aldimensiunilor s-a putut obţine în cazul sintezei apoase, dar producerea precursorilor monodisperşi pentru faza L10 a aliajului echiatomic CoPta putut fi realizată numai folosind matricea biologică a feritinului.

În adevăr, unele proteine se dispun în mod natural pe o suprafaţă într-unaranjament hcp pătratic regulat. Întrucât creşterea lor este guvernată de un cod ADN, ele sunt extrem de uniforme ca dimensiuni, iar unele aucavităţi care se pot umple cu material magnetic. Particulele metalice se pot realiza atunci la dimensiuni foarte regulate, prin precipitare dinsurfactanţi, ceea ce limitează dimensiunile particulelor. La depunerea pe substrat, particulele se dispun în aranjamente foarte ordonate de mare întindere (fig.4).

Fig.4. Imaginea TEM a unui monostrat hcp auto-organizat denanoparticule încapsulate în proteine.

O asemenea proteină miraculoasă este feritinul, care permite controlulstrict al dimensiunilor grăunţelor metalice sintetizate în cavitatea sa sferică. Ca urmare a uniformităţii dimensiunilor sale, această proteină asigură formarea unor straturi subţiri auto-configurate extrem de regulate. Mai mult, stratul de acoperire al proteinei, de circa 2 nm grosime, împiedică sintetizarea grăunţelor la tempera-turile înalte cerute pentru transformarea în faza L10 a aliajului CoPt.

Feritinul este compus din 24 subunităţi aproape identice, care se autoasamblează astfel încât să formeze o sferă cu diametrul exterior de 12 nm, în mijloc rămânând o cavitate sferică cu diametrul de 7.5 – 8 nm (fig.5). În această cavitate se depune biologic Fe, sub formăde ferihidrită. Proteina, robustă, rezistă la temperaturi ridicate dinpunctul de vedere al sistemelor biologice (65°C) şi la variaţii între limite largi ale pH-ului (4 - 9) pentru perioade limitate de timp, fărăo degradare semnificativă a structurii. Proteina lipsită de de nucleulde oxid de Fe originar este numită apoferitin; ea este folosită pentrua încapsula nanocristalele, reglându-le foarte strict dimensiunile.

Fig.5. Producerea biologică de nanomagneţi:

a –ferihidrita amorfă este redusă şi înlăturată din proteine pentru a

forma apoferitina;b – reconstituită cu ioni de Co şi Pt,

şi redusă chimic pentru a forma nucleul din aliaj metalic,

c – care este apoi tratat termic pentru a forma faza L10

încapsulată într-un învelişcarbonizat.

Pentru a obţine densităţile de înregistrare de ordinul a 200 Gb/in2

prognozate, trebuie realizate un control mai strict al suprafeţei stratului, al uniformităţii compoziţiei, al stabilităţii termice şi dimensiunilor nanoparticulelor şi al orientării axelor lor uşoare. Dacă acest control nu este suficient pentru rafinarea nano-particulelor, se pot folosi sisteme combinate, care să utilizeze,spre exemplu, configurarea pistelor, prin practicarea unor“grooves” care să delimiteze strict pistele.

Dintre materialele folosite pentru prepararea mediilor configurateauto-organizate (SOMA) numai sistemul care utilizează feritina sau o matrice asemănătoare nu depinde de distribuţia dimensiunilor nanoparticulelor sintetizate şi au permis obţinerea unor configuraţii hcp de mare întindere. S-a dovedit că, chiar în condiţiile tehnologice actuale, un monostrat hcp auto-organizatde nanoparticule de Co-Pt obţinute din apoferitină permite obţinerea unor densităţi de înregistrare de 4.5 Tb/in2.

Tehnica SOMA prezintă avantajul unui cost redus al procesului derealizare a mediului şi al posibilităţii de realizare a unor patricule practic identice ca dimensiuni, dar rămân încă multe necunoscute privitoare la parametrii de ordonare şi la modul de orientare aacestor dispuneri.

Dar, oricare ar fi metoda de producere a particulelor magnetice mono-dimensionale, este foarte important ca ele să fie toate orientate în aceeaşi direcţie. În adevăr, fie cazul limită al unei singure particule ce ar reveni fiecărui bit înregistrat. Particulele orientate la 90° faţăde direcţia de înregistrare apar ca “goluri”. Dacă dispunerea orientărilor este aleatoare, apar multe asemenea “goluri”, iar multe alte particule vor produce un semnal de nivel redus. Tehnologia deprocesare a semnalului va trebui să compenseze acest neajuns. Ocale de eliminare a neajunsului este configurarea unor straturi subţiri monocristaline. Au fost depuse epitaxial straturi subţiri dinaliaje ale Co pe substraturi monocristaline din MgO sau Si.

5. CONCLUZII

În cazul mediilor cu structură CAF mai sunt încă necesare multe experimentări pentru a ajunge la optimizarea performanţelor. Pede altă parte, structura trebuie re-optimizată la fiecare schimbare acapetelor de scriere sau de citire sau la modificarea înălţimii lor dezbor. In analiza noastră s-a presupus de asemenea că dimensiunile grăunţelor, distribuţia lor şi cuplajul de schimb intergranular sunt suficient de mici pentru a putea controla zgomotul mediului, iar stratul de Ru s-a presupus a fi perfect uniform pe toată întinderea mediului, deoarece altfel ar exista părţi ale suprafeţei cuplate F prin schimb, cu efectul de a “vedea” straturi magnetice foarte groase, altele rămânând cuplate AF. Mai rămân însă de elucidat multe elemente legate de efectul energiei termice în comportarea acestor medii de înregistrare.

Efectul comportării superparamagnetice a particulelor va obliga curând industria să caute alternative la tehnologia actuală a mediilor de discdur. Înregistrarea discretă care utilizează mediile configurate este considerată astăzi ca următorul posibil pas major în înregistrarea magnetică. Mediile magnetic discrete vor trebui însă adaptate sistemelor de disc în mişcare de rotaţie, aşa încât vor trebui căutate dispuneri circulare ale aranjamentelor de elemente. Pentru asemenea dispuneri, cea mai adecvată se consideră astăzi tehnologia litograficăcu fascicul de electroni.

Pe de altă parte, capacitatea de înregistrare a sistemului şi viteza de transfer a datelor sunt oarecum proporţionale, aşa încât ambele vor trebui mărite corespunzător. Acest lucru va provoca în mod cert orevoluţie în tehnologia de producere a discurilor dure: viteza crescută de rotaţie a discului şi viteze de transfer a datelor de ordinul Tbyte/s cu un singur cap de citire/scriere vor forţa din nou industria înregistrărilor să caute noi alternative.