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La magnétorésistance géante (GMR) 1/ Histoire dune découverte 3/ De la magnétorésistance géante à lélectronique de spin 2 / Les applications de la GMR.

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1 La magnétorésistance géante (GMR) 1/ Histoire dune découverte 3/ De la magnétorésistance géante à lélectronique de spin 2 / Les applications de la GMR

2 Capteur de champ magnétique Très sensible Taille nanométrique Fonctionnant dans une grande gamme de champ magnétique (selon les matériaux choisis) Les capteurs utilisant leffet GMR ont conquis très vite des marchés Ils ont remplacés les capteurs basés sur leffet AMR : anisotropic magnetoresistance 2 / Les applications de la GMR

3 B B R Principe de la détection de champ par une vanne de spin Couche « piégée » Couche « libre » Couche centrale non magnétique : non représentée

4 2-1 : A lintérieur dun disque dur : tête de lecture GMR 2-2 : Détecteur de mouvement Quelques exemples de capteur de champ magnétique utilisant leffet GMR têtes GMR vendues de 1997 à 2007 Marché

5 IBM Ultrastar 36ZX (SCSI server disk) 10 plateaux Capacité 36 GB RPM 2-1 : Voyage à lintérieur dun disque dur 10 cm 2-1 : A lintérieur dun disque dur

6 Actionneur positionneur de têtes Châssis de montage Axe vertical central rotatif tours/minute Patin (AlTiC,…) Patin disque Couche magnétique Tête Suspension - bras mobile Plateaux circulaires rigides (Al, verre,…) supportant le dépôt de matériau magnétique Têtes écriture & lecture Circuit électronique des têtes 1 µm 10 cm 2-1 : A lintérieur dun disque dur Schéma dun disque dur

7 Vitesse de rotation du disque : tours /minute Rayon = 3 cm 2-1 : A lintérieur dun 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

8 Coupe transversale dun disque 2-1 : A lintérieur dun disque dur Substrat : fin, rigide, résistant aux chocs, rugosité faible couche lubrifiante couche protection Couche ferromagnétique (PtCo….) : support de linformation 15 nm couche tampon en Cr Organisation dun disque en pistes (vue du dessus) pistes distance entre les centres de deux pistes : 160 nm

9 Pourquoi peut-on utiliser une nanoparticule ferromagnétique pour le stockage dune information ? En champ appliqué nul : deux états possibles correspondant à des directions opposées du moment z Un champ appliqué permet de changer détat B ret : champ de retournement B Mz Mz - B ret + B ret 2-1 : A lintérieur dun disque dur La couche ferromagnétique est faite de nanoparticules

10 zones de moment uniforme 2-1 : A lintérieur dun disque dur Codage de linformation le long dune 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 bit Largeur de la transition « track pitch » 160 nm 40 nm 100 Gbit/in 2 1 inch = 2.54 cm 1 (ou 0) correspondent en réalité à lexistence (ou non) dun changement de direction du moment dun bit au suivantits

11 Ecriture Tête décriture : petit électro-aimant média transition bit v bobine IeIe circuit magnétique 2-1 : A lintérieur dun disque dur B Mz Mz - B ret + B ret 10 nm Champ appliqué B positif ou négatif 1 T Largeur de lentrefer 10 nm

12 Lecture 2-1 : A lintérieur dun disque dur Capteur de champ magnétique utilisant leffet GMR épaisseur quelques nm U résistance du capteur

13 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 lintérieur dun disque dur Les capteurs GMR ont permis daméliorer les deux critères

14 2-1 : A lintérieur dun disque dur tetes GMR vendues de 1997 à

15 2-1 : A lintérieur dun disque dur 60 cm 1,2 m $ /Mb 0.05 $ /Mb 1 byte = 8 bits

16 Perspectives 2-1 : A lintérieur dun disque dur Super-paramagnetique limite !!!!

17 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 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 lintérieur dun disque dur

18 2-1 : A lintérieur dun disque dur : tête de lecture GMR 2-2 : Détecteur de mouvement

19 La plupart des véhicules contiennent des matériaux ferromagnétiques dans leur chassis Détection de véhicules Sources de champ magnétique 2-2 : Détecteur de mouvement Capteurs de mouvements rotation translation Plusieurs fabricants : marché : Détecteur de mouvement

20 1/ Histoire dune découverte 3/ De la magnétorésistance géante à lélectronique de spin 2 / Les applications de la GMR Les jonctions tunnel et les MRAM Partie 2 / Les applications de la GMR

21 Principe dune jonction tunnel En présence dune différence de potentiel entre deux électrodes métalliques un 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 Al 2 O 3 Courant non nul ! TMRTunelling Magnetoresistance 2/ Lorsque les électrodes sont ferromagnétiques, leffet tunnel dépend du spin de lélectron I V la probabilité tunnel dépend de lorientation -du spin de lélectron - des moments des deux couches Fe MgO

22 Jonctions tunnel magnétorésistives Barrière isolante Mg0 ou Al Couche ferromagnétique libre Couche ferromagnétique « piégée » I V 100 nm Stocker 1Stocker 0 Couche ferromagnétique piégée I V Etat anti parallèleEtat parallèle Résistance élevéeRésistance faible Al 2 O 3 : 70 % MgO : 400% 3 : MRAM Pour passer de la configuration parallèle à antiparallèle appliquer un champ qui retourne le moment de la couche libre

23 Yasua et al 2005 Image faite en microscopie électronique à transmission Difficulté majeure : couche isolante de quelques nm sans défauts !! Fe / MgO / Fe 3 : MRAM

24 MRAM : écriture Dispositif vertical bien adapté aux hautes densités Une mémoire NON volatile à faible consommation électrique Insensible aux radiationsUsage spatial MRAM : lecture Mesurer la résistance 3 : MRAM Appliquer un champ qui détermine lorientation du moment de la couche libre 1 bit Magnetic Random Access Memory

25 PtMn (200 Å) CoFe (20 Å) NiFe (20Å) IrMn (60Å) Ru (50 Å) Ta (50 Å) Al 2 O 3 (9 Å) CoFe (20 Å) Ru (8 Å) Ta (100 Å) Élément de mémoire MRAM utilisant la TMR : MRAM

26 1975 : Existence dun 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 Ko 200 Mo/s 1995 : Effet tunnel dépendant du spin 300 K (Moodera, MIT, USA) : 10% à 300 K reproductible CoFe/Al 2 O 3 /Co 2007 : 400 % 300 K (Co 25 Fe 75 ) 80 B 20 (4nm) / MgO (2.1nm) / (Co 25 Fe 75 ) 80 B 20 (4.3nm) 3 : MRAM

27 Conclusion N. Mott : modèle à deux courants Pour le transport dans un ferromagnétique A. Fert : preuve expérimentale dans un matériau massif A. Fert / P. Grünberg : Découverte GMR dans des multicouches Spin valve Tête de lecture GMR parallèle 2007 Tête de lecture GMR perpendiculaire (démonstrateur) 2007 Prix Nobel Pour en savoir plus


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