برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۱۰/۲۹ تا ۱۳۹۷/۱۱/۰۵

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۲۵۹
  • بازدید این ماه ۹۲
  • بازدید امروز ۰
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۲۲
  • قبول شدگان ۱۴
  • شرکت کنندگان یکتا ۱۸
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۶۲
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

پیشرفته 2

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

راهکارهای فناوری نانو در غلبه بر چالش‌های سه گانه

چالش‌های سه گانه تریلما مانعی بزرگ در توسعه حافظه‌های مغناطیسی با ظرفیت بالاست. روش ضبط عمودی اطلاعات تنها موجب به تأخیر انداختن چالش‌های سه گانه می‌شود اما در حل این چالش‌ها موفق نیست. در این مقاله به راهکارهایی که در نقشه راه توسعه حافظه‌های مغناطیسی جهت غلبه بر چالش‌های سه گانه مطرح شده است، پرداخته می‌شود.

1- بهبود توانایی در خواندن با هد GMR و TMR
وقتی اندازه دومین‌ها کوچک می‌شود، با توجه به این که مغناطش اشباع و مغناطش پسماند یک ماده مقدار محدودی دارد، میدان مغناطیسی که هد خواندن از یک دومین تشخیص می‌دهد، ناچیز است بنابراین خواندن اطلاعات برای این هد مشکل خواهد بود. برای غلبه بر این مشکل هدهای Giant Magnetoresistance که به اختصار (GMR) نامیده می شود، مورد استفاده قرار گرفته‌اند.

در این هدها با توجه به جهت اسپین‌ها (که با میدان خارجی ناشی از دومین‌های حافظه مغناطیسی کنترل می‌شود)، مقدار مقاومتی که در برابر جریان الکتریکی وجود دارد تغییر می‌کند. شکل 1 شماتیکی از ساختار هدهای GMR را نشان می‌دهد. این هد از یک لایه رسانا که در بین دو لایه فرومغناطیس قرار گرفته‌است، تشکیل شده است. اگر جهت مغناطیس (جهت اسپین‌های سازنده لایه مغناطیسی) در دو لایه مغناطیسی، همانند شکل 1- الف در یک جهت باشد، مقاومت الکتریکی در برابر جریان (چه این جریان افقی باشد و چه عمودی) کمتر از حالت شکل 1- ب است که جهت مغناطیسی در این دو لایه متفاوت است.

 

شکل 1 - نمایش ساختار یک هد GMR، الف) در حالت با مقاومت کم و ب) در حالت با مقاومت زیاد

 

در هدها از تغییری که در مقدار جریان افقی ناشی از تغییر مقاومت ایجاد می‌شود، برای خواندن اطلاعات استفاده می‌شود. تغییر مقدار مقاومت مطابق شکل 2 با تغییر جهت مغناطیس لایه زیرین (لایه قرمز رنگ) صورت می‌گیرد، در حالی که لایه مغناطیسی رویین با مکانیزم‌های خاصی همواره در جهت نشان داده شده قفل شده است. با تغییر جهت مغناطش لایه زیرین، مقدار مقاومت لایه رسانا تغییر می‌کند و پیرو آن مقدار جریان عبوری از لایه رسانا تغییر خواهد کرد و صفر و یک اطلاعات ساخته می‌شود.

 

شکل 2 - نمایش نحوه عملکرد هد GMR در هنگام خواندن اطلاعات لایه مغناطیسی زیرین

 

با گسترش ظرفیت حافظه‌های مغناطیسی و نیاز به حساسیت بالاتر، هدهای Tunneling magnetoresistance که به اختصار TMR نامیده می‌شوند، مورد توجه قرار گرفته‌اند. در این هدها نیز از مکانیزم مشابهی مانند هدهای GMR یعنی تغییر مقاومت استفاده می‌شود، اما درصد تغییر مقاومتی که در این هدها ایجاد می‌شود بیشتر است، بنابراین نسبت سیگنال به نویز در این هدها بالاتر خواهد بود. ساختار هد شبیه به هد GMR است ولی به جای لایه رسانا در میان دو ماده مغناطیسی، از یک لایه عایق با ضخامت کمتر از 2 نانومتر استفاده می‌شود. به جای این که از جریان الکتریکی افقی استفاده شود، از جریان عمودی (جریان عمود بر لایه نازک) استفاده می‌شود. این جریان که جریان کوانتومی نامیده می‌شود، ضخامت لایه عایق را طی می‌کند. جریان کوانتومی پدیده‌ای است که با مکانیک کوانتوم قابل توجیه است و اساس کار میکروسکوپ‌های تونلی روبشی، این پدیده است؛ لذا برای اطلاعات بیشتر در مورد این جریان به مجموعه مقالات میکروسکوپ STM مراجعه شود. در دسته‌بندی حوزه‌های فناوری، هدهای GMR و TMR در حوزه اسپینترونیک قرار می‌گیرند. حوزه اسپینترونیک یکی ار حوزه‌های مهم فناوری نانو است که در آن علاوه بر بار الکتریکی الکترون، از اسپین الکترون نیز به عنوان یک درجه آزادی دیگر در ساخت ادوات الکترونیکی استفاده می‌شود. با کمک این فناوری، سرعت افزاره‌های الکترونیکی بیشتر، توان مصرفی آن‌ها کمتر و تنوع عملکردی‌شان بیشتر خواهد شد.

 

2- بهبود توانایی در نوشتن با فناوری HAMR
برای افزایش ظرفیت در هارد دیسک‌ها باید اندازه دانه‌ها کاهش یابد که پدیده سوپراپارامغناطیس مانع آن است. گرچه در روش عمودی می‌توان با کمک افزایش ارتفاع بدون افزایش مساحت سطحی دانه‌ها، حجم آن‌ها را افزایش داد ولی با این وجود، این روش نیز تا حدودی پدیده سوپرپارامغناطیس را به تأخیر می‌اندازد.

با توجه به بند بالا تنها راه حل، افزایش سد انرژی از طریق افزایش ثابت ناهمسانگردی است که در حالت عادی این افزایش منجر به سخت شدن توانایی در نوشتن می‌شود. برای غلبه بر توانایی در نوشتن، تکنولوژی جدیدی مطرح شده است که در آن از انرژی گرمایی برای تسهیل نوشتن اطلاعات استفاده می‌شود. گرما این توانایی را دارد که سد انرژی لازم برای نوشتن را کاهش دهد. با کاهش سد انرژی، نوشتن اطلاعات تسهیل می‌شود اما وجود گرمای ماندگار موجب ناپایداری دانه‌ها خواهد شد. از این‌رو همانند شکل 3، باید از یک سیستمی مانند لیزر نقطه‌ای استفاده کرد که متناسب با هد مغناطیسی در حرکت بوده و یک میدان موضعی و موقت را در هنگام نوشتن ایجاد می‌کند. گرمای ناشی از لیزر نوشتن اطلاعات را آسان‌تر کرده و بعد از نوشتن، این گرما حذف می‌شود؛ از این‎رو باعث ناپایداری گرمایی نخواهد شد. به این روش Heat Assisted Magnetic Recording (HAMR) می‌گویند. بیان شده که HAMR می‌تواند حد ضبط مغناطیسی را 100 برابر بهبود دهد و می‌شود با این روش به ظرفیت 50 ترابیت بر اینچ مربع رسید. شرکت سیگیت اعلام کرده با این روش، ظرفیت  هاردها به 300 ترابیت (37 ترابایت) خواهد رسید.

 

شکل 3 - نمایش نحوه عملکرد سیستم ذخیره‌سازی با کمک گرمای موضعی در هنگام نوشتن

 

از روش HAMR می‌توان در سیستم ذخیره‌سازی عمودی اطلاعات استفاده کرد و این روش قادر است ظرفیت ذخیره‌سازی را در سیستم عمودی به چند برابر (در حدود 5 trabit/in2) برساند. حدهای مختلفی برای این روش اعلام شده است که علت آن مباحث تکنولوژیک و امکان ترکیب با دیگر روش‌های ذخیره‌سازی است.

 

3- بهبود پایداری با استفاده از محیط‌های منظم BPR
در روش ذخیره‌سازی در محیط‌های لایه نازک (نانودانه‌ای) چه در سیستم عمودی و چه در سیستم افقی، به این دلیل که اندازه دانه‌ها کاملاً یکسان نیست و جهت کریستالی دانه‌ها کاملاً در یک جهت قرار نگرفته است، نیاز است از مجموعه‌ای از دانه‌ها به عنوان یک دومین استفاده شود (همانند ناحیه قرمز در شکل 4 در بخش a) تا SNR قابل قبولی داشت. این موضوع ظرفیت ذخیره‌سازی اطلاعات را کاهش می‌دهد.

اگر به جای محیط‌های نانودانه‌ای، همانند شکل 4 قسمت b، از ذرات منظم تک سایز و دارای جهت کریستالی یکسان استفاده شود، در این صورت این امکان وجود دارد که هر دومین برابر یک تک ذره باشد بدون این که SNR کاهش یابد. با این روش، گرچه ممکن است اندازه یک ذره از یک دانه به مراتب بزرگ‌تر باشد ولی با در نظر گرفتن این موضوع که مجموعه‌ای از دانه‌ها به عنوان یک دومین در نظر گرفته می‌شود، ظرفیت قابل دستیابی در حالت منظم بیشتر از حالت نانودانه‌ای است. از آن‌جا که با افزایش حجم، پدیده سوپرپارامغناطیس مشاهده نمی‌شود، محیط‌های منظم قادرند یکی از مشکلات تریلما که پایداری گرمایی است را به نحو مناسبی حل کنند. اصطلاحاً به این محیط‌ها Bit Patterned Recording یا (BPM) می‌گویند. از آن‌جا که در این روش هر ذره یک تک دومین است، از کلمه دومین برای اشاره به کل موضوع استفاده می‌شود.

 

شکل 4 - تفاوت روش ذخیره‌سازی اطلاعات در محیط‌های نانودانه‌ای در (a) و در محیط‌های منظم در (b)

 

در این روش ظرفیت‌های به مراتب بالاتری قابل دستیابی است. شکل 5 برای دو اندازه دومین مختلف، ظرفیت‌ها را نشان می‌دهد. مشاهده می‌شود که با کاهشی 30 درصدی در اندازه دومین، ظرفیت 2 برابر شده است.

در این روش تنها مشکل باقیمانده پدیده سوپرپارامغناطیس است. در این روش الزاماً هر ذره تک کریستال نیست و ممکن است یک ذره حتی از دو یا چند دانه تشکیل شده باشد اما انرژی تبادلی با هم جهت کردن جهت اسپین‌ها، جهت کلیه دانه‌ها را یکسان قرار می‌دهد و کل این مجموعه همانند یک دومین کوچک عمل می‌کند.

 

شکل 5 - نمایش ظرفیت قابل دستیابی برای دو اندازه و فاصله دومین مختلف

 

به صورت دقیق‌تر در این محیط‌ها الزاماً هر تک ذره از یک تک دانه تشکیل نشده است (یعنی تک کریستال نیست). ممکن است که یک ذره از چندین دانه تشکیل شده باشد، اما همه دانه‌های درون ذره به عنوان یک مجموعه واحد مغناطیسی (از لحاظ مغناطیس مشابه حالت ذره تک دانه) که اصطلاحاً جزیره (Island) نامیده می‌شود، عمل می‌کنند. علت این اتفاق وجود پدیده انرژی تبادلی (Exchange energy) است که بین دانه‌ها نیز وجود دارد و جهت مغناطش کلیه دوقطبی‌های مغناطیسی اتمی را یکسان می‌کند. شکل 6 محیط‎های ذخیره‌سازی نانودانه‌ای را نشان می‌دهد که چگونه انرژی تبادلی در شکل b موجب می‌شود که مرز ناحیه گذار (ناحیه تغییر جهت مغناطیسی) از درون دانه‌ها عبور کند. چون نیمی از دانه‌ها با دیگر دانه‌ها، به دلیل انرژی، به عنوان یک واحد عمل می‌کنند.

 

شکل 6 - مقایسه تأثیر انرژی تبادلی برای تغییر مرز گذار در سیستم ذخیره‌سازی نانودانه‌ای

 

پدیده انرژی تبادلی با توجه به آن‌چه در شکل 6 نشان داده شد، موجب می‌شود که مرز ناحیه گذار در روش عمودی خلاف انتظار باشد؛ اما پدیده تبادل در سیستم ذخیره‌سازی منظم موجب می‌شود کل مجموعه دانه‌های یک جزیره به عنوان یک مجموعه واحد عمل کرده و بنابراین پدیده سوپرپارامغناطیس را به تأخیر می‌اندازد.

ساخت محیط‌های منظم یکی از چالش‌های توسعه این‌گونه محیط‌هاست. برای ساخت محیط‌های منظم دو روش بالا به پایین و پایین به بالا وجود دارد که هر کدام مباحث مرتبط با خود و چالش‌های مخصوص به خود را دارند؛ هدف این مقاله بحث درباره این روش‌ها نیست و فقط به معرفی این روش‌ها می‌پردازد.

در روش بالا به پایین، یکی از انواع لیتوگرافی برای ساخت جزایر استفاده می‌شود. در روش لیتوگرافی، ابتدا لایه ضبط مغناطیسی به کمک روش‌های لایه‌نشانی رسوب داده شده و سپس این لایه با کمک لیتوگرافی اچ شده و به جزایر مورد نظر تبدیل می‌شود.

 

شکل 7 - نمایش لیتوگرافی نوری برای تولید جزایرمغناطیسی

 

لیتوگرافی متداول یعنی لیتوگرافی نوری، قادر نیست اندازه جزایر و فواصل مورد نیاز بین جزایر را تأمین کند. بنابراین لیتوگرافی‌های گوناگونی همچون لیتوگرافی باریکه الکترونی (EBL) و لیتوگرافی چاپ نانو Nanoimprint lithography)) قابل استفاده است. برای روش ساخت باید از نوعی از لیتوگرافی با سرعت و قیمت مناسب استفاده کرد. یکی از چالش‌های موجود برای توسعه این دسته از هاردها، توسعه لیتوگرافی مناسب است. شکل 8 یک نوع ساختار الگودهی شده را که با کمک EBL ایجاد شده است، نمایش می‌دهد. مشکل این روش زمان‌بر بودن و قیمت بالای آن است.

 

شکل 8 - نمایش یک ساختار الگودهی شده به کمک لیتوگرافی باریکه الکترونی (EBL)

 

در روش پایین به بالا نانوذرات توسط یکی از روش‌های شیمیایی ساخته می‌شوند و سپس به کمک نیروهای بین ذره‌ای، به شکل منظم روی سطح قرار می‌گیرند. این روش که در آن برای کاهش انرژی سیستم، ذرات بر روی سطح به صورت خودبه خودی مرتب می‌شوند را خودآرایی (Self-Assembly) می‌نامند. شکل 9 تصویر میکروسکوپ الکترونی عبوری از یک محیط منظم ذخیره‌سازی را که با کمک خودآرایی ساخته شده، نمایش می‎دهد.

 

شکل 9 - ساختار خودآرایی شده از نانوذرات FePt

 

4- جمع‌بندی و نتیجه‌گیری
در این مقاله راهکارهای غلبه بر مشکلات تریلما شرح داده شد. سه فناوری هد GMR (و TMR)، HAMR و BPR به ترتیب برای حل چالش‌های توانایی در خواندن، توانایی در نوشتن و غلبه بر مشکل پایداری معرفی شد. مشخص شد هر سه فناوری مشخص شده به نوعی با فناوری نانو مرتبطند. مکانیزم عملکرد هد GMR در حوزه اسپینترونیک، فناوری HAMR بر اساس میدان نزدیک نور و فناوری BPR به روش‌های ساخت موجود در نانوفناوری ارتباط دارند. با کمک پیشرفت نانوفناوری در این سه حوزه، امکان ساخت حافظه‌های مغناطیسی با ظرفیت‌های به مراتب بالاتر وجود خواهد داشت.

 

منابـــع و مراجــــع

[1] Piramanayagam, S. N., and Tow C. Chong. Developments in data storage: materials perspective. John Wiley & Sons, 2011.

[2] Vajtai, Robert, ed. Springer handbook of nanomaterials. Springer Science & Business Media, 2013.

Garcia-Sanchez, F., et al. "Exchange spring structures and coercivity reduction in Fe Pt∕ Fe Rh bilayers: A comparison of multiscale and micromagnetic calculations." Applied Physics Letters 87.12 (2005): 122501

[4] Lavrenov, Andrey. Focused ion beam manufacturing of magnetic nanostructures. Diss. Florida International University, 2007.

[5] Guo, Wei. Switching field distribution of bit-patterned media: A combined experimental and micromagnetic modeling study. Diss. Carnegie Mellon University, 2008.

[6] Sun, Shouheng. "Self-Assembled FePt Nanoparticle Arrays as Potential High-Density Recording Media." Magnetic nanostructures. Springer Berlin Heidelberg, 2007. 15-28.