La magnétorésistance géante (GMR) 1/ Histoire d’une découverte 2 / Les applications de la GMR 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

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

Quelques exemples de capteur de champ magnétique utilisant l’effet GMR 2-1 : A l’intérieur d’un disque dur : tête de lecture GMR 5 109 têtes GMR vendues de 1997 à 2007 2-2 : Détecteur de mouvement Marché

2-1 : Voyage à l’intérieur d’un disque dur 2-1 : A l’intérieur d’un disque dur 2-1 : Voyage à l’intérieur d’un disque dur IBM Ultrastar 36ZX (SCSI server disk) 10 plateaux Capacité 36 GB 10 000 RPM Ensuite vous ne regarderez pas votre ordi avec les memes yeux ! 10 cm

Schéma d’un disque dur Patin Tête 1 µm disque 10 cm 2-1 : A l’intérieur d’un disque dur Schéma 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 circulaires rigides (Al, verre,…) supportant le dépôt de matériau magnétique Têtes écriture & lecture Circuit électronique des têtes 1 µm 10 cm Plusieurs disques en // et recto verso l’a tete se poitionne au dessus du rayon vhoisi Puis le disque tourne très vite si 3 cm 10000 tours minute = 30 m/s

Une mécanique de précision 2-1 : A l’intérieur d’un disque dur Une mécanique de précision Vitesse de rotation du disque : 10000 tours /minute vitesse = 30 m/s Rayon = 3 cm Echelle 1/32000 ~un Boeing 747 volant à 8mm au dessus du sol Distance tête / disque : hauteur de vol : quelques nm

Coupe transversale d’un disque 2-1 : A l’intérieur d’un disque dur Coupe transversale d’un disque Substrat : fin, rigide, résistant aux chocs, rugosité faible couche lubrifiante couche 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

Un champ appliqué permet de changer d’état 2-1 : A l’intérieur d’un disque dur La couche ferromagnétique est faite de nanoparticules 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 La direction z lié au cristal (hexagonal)

Codage de l’information le long d’une piste 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 zones de moment uniforme Dans chaque bit : quelques dizaines de nanoparticules ferromagnétiques  x y r piste de garde Largeur du bit Largeur de la transition « track pitch » 1 (ou 0) correspondent en réalité à l’existence (ou non) d’un changement de direction du moment d’un bit au suivantits 1 160 nm 40 nm 100 Gbit/in2 Sauf mention explicite dans la suite je parle des media pour disque dur Dessiner au tableau 1 et 0 1 inch = 2.54 cm

Ecriture Ie v Mz Tête d’écriture : petit électro-aimant  10 nm 2-1 : A l’intérieur d’un disque dur Ecriture Tête d’écriture : petit électro-aimant média transition bit v bobine Ie circuit magnétique  10 nm Largeur de l’entrefer  10 nm Champ appliqué B positif ou négatif  1 T B Mz - Bret + Bret

Capteur de champ magnétique 2-1 : A l’intérieur d’un disque dur Lecture Capteur de champ magnétique utilisant l’effet GMR U  résistance du capteur épaisseur quelques nm

Lecture Les capteurs GMR ont permis d’améliorer les deux critères 2-1 : A l’intérieur d’un disque dur 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 Les capteurs GMR ont permis d’améliorer les deux critères - Sensibilité Δ R / Δ B la plus grande possible 30 m/s à 10 nm equivalent à 30 km par seconde à 0.1 µm

2-1 : A l’intérieur d’un disque dur 5 109 tetes GMR vendues de 1997 à 2007 1997 Un délai extremement court

10000 $ /Mb 0.05 $ /Mb 1 byte = 8 bits 60 cm 1,2 m 2-1 : A l’intérieur d’un disque dur 1 byte = 8 bits 60 cm 10000 $ /Mb 0.05 $ /Mb 1,2 m

Perspectives Super-paramagnetique limite !!!! 2-1 : A l’intérieur d’un disque dur Perspectives Super-paramagnetique limite !!!!

Hitachi Announces 4TB Disk Drives through New Head Technology 2-1 : A l’intérieur d’un disque dur Hitachi Announces 4TB Disk Drives through New Head Technology 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. Géométrie CPP I V Géométrie CIP

2-1 : A l’intérieur d’un disque dur : tête de lecture GMR 2-2 : Détecteur de mouvement

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

Partie 2 / Les applications de la GMR 1/ Histoire d’une découverte 2 / Les applications de la GMR 3/ De la magnétorésistance géante à l’électronique de spin Les jonctions tunnel et les MRAM

Principe d’une jonction tunnel Cours de Physique Quantique 3 : MRAM Principe d’une jonction tunnel 1/ Un effet quantique En présence d’une différence de potentiel entre deux électrodes métalliques un électron a une certaine probabilité de passer à travers une barrière isolante I V Cours de Physique Quantique Courant non nul ! Al Al2O3 Al TMR Tunelling 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 couches Fe MgO Giant déjà pris !!!!!!!!!!!!!!!!!!!

Jonctions tunnel magnétorésistives 3 : MRAM Jonctions tunnel magnétorésistives I V I V Couche ferromagnétique libre Barrière isolante Mg0 ou Al203 Couche ferromagnétique « piégée » 100 nm Etat anti parallèle Etat parallèle Résistance élevée Résistance faible Al2O3 : 70 % MgO : 400% Stocker 1 Stocker 0 Comme dans la vanne de spin mais la différence ets que la couche du milieu est isolante Pour passer de la configuration parallèle à antiparallèle appliquer un champ qui retourne le moment de la couche libre Couche ferromagnétique piégée

Difficulté majeure : couche isolante de quelques nm sans défauts !! 3 : MRAM Difficulté majeure : couche isolante de quelques nm sans défauts !! Image faite en microscopie électronique à transmission Yasua et al 2005 Dualité onde corpuscule pour le TEM Il ne faut pas de trous et une qualité extrême des interfaces Fe / MgO / Fe

Magnetic Random Access Memory 3 : MRAM MRAM : écriture Appliquer un champ qui détermine l’orientation du moment de la couche libre Magnetic Random Access Memory 1 bit MRAM : lecture Mesurer la résistance MRAM Random access le type d’adressage pas du magnétisme Des démonstrateurs Pour remplacer les mémoires vives des ordinateurs : pas besoin de rafraichir l’information donc faible consommation électrique Dispositif vertical bien adapté aux hautes densités Une mémoire NON volatile à faible consommation électrique Insensible aux radiations Usage spatial

Élément de mémoire MRAM PtMn (200 Å) CoFe (20 Å) NiFe (20Å) IrMn (60Å) Ru (50 Å) Ta (50 Å) Al2O3 (9 Å) Ru (8 Å) Ta (100 Å) Élément de mémoire MRAM utilisant la TMR 2008

MRAM : de la découverte aux applications 1975 : Existence d’un effet tunnel dépendant du spin à 4 K (Jullière, Rennes) : pas reproductible 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) 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

Conclusion Pour en savoir plus N. Mott : modèle à deux courants Pour le transport dans un ferromagnétique Spin valve A. Fert : preuve expérimentale dans un matériau massif Tête de lecture GMR parallèle 2007 Prix Nobel 1935 1970 1988 1991 1997 2007 A. Fert / P. Grünberg : Découverte GMR dans des multicouches Tête de lecture GMR perpendiculaire (démonstrateur) Pour en savoir plus http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2007/