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Magnetic data storage materials and SPM technology in data storage

Magnetic data storage materials and SPM technology in data storage. 张文全 2009 年 10 月 17 日. 磁存储材料 磁双稳定性的有机材料 SPM 在信息存储材料方面的应用. 信息存储材料的分类. 信息存储的关键是要具有 0 ， 1 两种可以区分的稳定状态，即通常所说的双稳态 就是说在外场光、电、磁等的作用下 , 能够从一种状态变化成另一种状态 , 并且 这两种状态能够对应不同的光、电、磁特性或者其他方面的响应. 磁学性质上的双稳态. FeCo Prussian Blue.

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Presentation Transcript

  1. Magnetic data storage materials and SPM technology in data storage 张文全 2009年10月17日

  2. 磁存储材料 • 磁双稳定性的有机材料 • SPM在信息存储材料方面的应用

  3. 信息存储材料的分类 信息存储的关键是要具有0，1两种可以区分的稳定状态，即通常所说的双稳态 就是说在外场光、电、磁等的作用下, 能够从一种状态变化成另一种状态,并且 这两种状态能够对应不同的光、电、磁特性或者其他方面的响应 磁学性质上的双稳态 FeCo Prussian Blue

  4. 光学性质上的双稳态 光致变色复合材料 偶氮化合物感应酸度变化 GalenD. Stucky. Adv. Funct. Mater. 2004, 14, 5

  5. 电学性质上的双稳态 PNBN薄膜材料 D.X. Shi Appl. Phy. Lett. 2000, 77, 3203

  6. 磁存储 磁性材料存储，磁头读写 磁性材料以微小磁粒的形式分散在磁性薄膜中，信息写入时磁头通电流， 信息调制与电流信号中，磁头扫过后体现为材料的剩磁 变化。 信息读取时，读取磁头感应材料剩磁，通过磁阻变换还原信息为电信号 增加信息容量，减小磁粒尺寸，超顺磁性转变，信息丢失，剩磁信号变弱 寻找更好的磁性材料，改进磁性材料存储技术

  7. CoPt–C颗粒 将CoC体系纳米颗粒薄膜材料的 矫顽力提高到1500 Oe, Cobalt–platinum–carbon thin film was deposited with a chemical composition of Co50Pt15C35. （dc magnetron sputtering） J.-J. Delaunay, Appl. Phys. Lett. 71 (23), 8, 1997

  8. CoPt/SiO2颗粒薄膜 TEM图 R. A. Ristau and J. K. Howard J. Appl. Phys. 1996, 79, 5330

  9. 退火温度越高有序相所占比列越大，M-H同反应这一现象。退火温度越高有序相所占比列越大，M-H同反应这一现象。 有序相无序相共存，两相之间存在磁耦合关系，有很高的矫顽力

  10. CoPt/Ag颗粒薄膜 (a), (b), and (c) refer to a Co53Pt47 ~0.5 nm/Ag ~0.3 nm, sample annealed at 600 ° C for 5, 10, and 20 min; (d) refers to a Co53Pt47 ~2.0 nm/Ag ~2.0 nm sample annealed at 550 °C for 240 min. 两者都退火2h 通过调控退火时间和温度来调控磁性颗粒 的尺寸和材料的矫顽力 D. Niarchos Appl. Phys. Lett. 1998, 23, 3453

  11. FePtC磁性颗粒薄膜 用碳含量调控磁性矫顽力先升后降 Perumal, A Appl. Phy. Lett. 2003，83(16), 3326

  12. 此外还有FePt, CoCrPt/SiO2, CoCrPt/C, 稀土金属等材料等，其目的都是寻找 尺寸小，矫顽力大的次各项异性颗粒，从而提高介质的存储密度

  13. 传统的记录介质的磁化是沿介质表面的纵向的，信息线性密度和热稳定性较差，而传统的记录介质的磁化是沿介质表面的纵向的，信息线性密度和热稳定性较差，而 垂直磁化的介质则能克服上述缺点 1977年日本人Iwasaki S首先提出实现，通过提供具有垂直磁场的磁头实现磁介质的垂直 磁化 通过理论分析比较得出垂直磁化的介质效果最好 Iwasaki S. IEEE Trans. Magn. 1977 , 13, 1272

  14. 还有很多复杂的材料加工技术以提高其信息存储密度，如图案化介质技术，还有很多复杂的材料加工技术以提高其信息存储密度，如图案化介质技术， 反铁磁耦合技术等。用于加工的材料还是传统复合物，但在技术手段上的 改进使信息存储密度大大提升。

  15. 具有磁双稳定性的有机金属材料 电荷转移配合物 分子磁体 自旋交叉配合物

  16. 电荷转移配合物 [CoIII(cat-N-bq)(cat-N-sq)] [CoIII(tpy)-(cat-N-sq)]Y [Co(cth)(phendiox)]PF6·1.5CH2Cl2 较高的转变温度，无磁滞回 接近室温的转变温度，13K的磁滞回宽度 [{Co(tpa)}2(dhbq)]·(PF6)3

  17. 分子磁体 分子的铁磁性来源于金属中心之间的电子交换，这一交换是通过桥键 的电子云来进行的。桥键越短，电子云的密度越大，其交换作用就越 强，分子的磁性就越强，其居里温度也越高.那么，短的氰根CN-、叠 氮根N3-等电子云密度大的分子基团，是很好的桥基。 普鲁士兰及其类似物的研究最充分，在一些普鲁士兰类似物质中磁性是可调控的。 FeCo Prussian Blue

  18. FeMn Prussian Blue Cs[{CoII(3-cyanopyridine)2}{WV(CN)8}]·H2O, [CuII2MoIV(CN)8]·8H2O CsI2[CuII7{MoIV(CN)8}4]·6H2O, [{CoII-(pmd)(H2O)}2{CoII(H2O)2}{WV(CN)8}2(pmd)2]·2H2O

  19. 自旋交叉配合物 一些dn(n=4-7)的过渡金属配合物存在这一自旋态的变化，这样的 双稳化合物可用来作为磁记忆材料 [Fe(pm-pea)(NCS)2]分子间п- п相互作用 是大的磁滞宽度的诱因 O. Kahn, J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 10861

  20. Reverse Spin Transitions with Large Room-Temperature Hysteresis [Co(C16-tpy)2](BF4)2 [Co(C14-tpy)2](BF4)2 [Co(Cn-terpy)2](BF4)2 (n=0–22) n=12–16发现反转磁滞现象 相反的自旋态变化与长的R碳链有关 S. Hayami Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 4899

  21. 其他具有磁双稳态的体系 低温相两分子形成二聚体的п堆垛结构 是反磁性，高温相п自由基的滑移堆垛 是顺磁性 R. T. Oakley, J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 8256

  22. Magnetic, Optical, and Electronic Bistability in a Neutral Spirobiphenalenyl Radical 高温相顺磁性 低温相反磁性 在相变温度范围，磁性，导电性，光学性质都随着相变而发生变化 R. C. Haddon, Science 2002, 296, 1443

  23. SPM在信息存储材料方面的应用 1990年IBM公司的 Eigler用STM针尖操纵在Ni表面的35个Xe原子组成IBM 三个字母图案，其相应的信息存储密度达到106Gbit/in2。是商品化磁盘存储 密度的上万倍，但要在接近0K的液氦温度下操作 D.M. Eigler Nature 1990, 344, 524

  24. 利用AFM探针的热力效应在PMMA材料表面进行点写入，用300ns的调制激光脉冲在利用AFM探针的热力效应在PMMA材料表面进行点写入，用300ns的调制激光脉冲在 PMMA上写下尺寸约100nm记录点，再用读取激光照射读取，信息容量有30Gbit/in2 H.J.Mamin, Appl. Phys. Lett, 1992, 61, 1003

  25. 4V, 5ms脉冲电压写入记录点；-5V, 10ms 脉冲电压擦除记录点，本质是电脉冲作用 下薄膜的局域可逆相变 A. Sato. Nature, 1993, 363, 431

  26. 仍以PMMA作为薄膜材料，衬底改用热的良导体Si，减小薄膜厚度，促进热量仍以PMMA作为薄膜材料，衬底改用热的良导体Si，减小薄膜厚度，促进热量 的散发可以使记录点的尺寸进一步缩小，在Si与聚合物之间插入一层感光树脂 薄膜防止撞针，信息容量有500Gbit/in2 可擦除 G. Bing, Appl. Phys. Lett. 1999, 74, 1329

  27. 先在Si衬底上蒸一层Pt作底电极，再溅射GeSb2Te4作存储薄膜，先在Si衬底上蒸一层Pt作底电极，再溅射GeSb2Te4作存储薄膜， 针尖为大气压恒斥力模式，利用3V，5ms脉冲电压得到尺寸为 10nm的信息记录点 H. Kado. Appl. Phys. Lett. 1995, 66, 2961

  28. 早在1973年，Coleman和Ferraris同时报道了具有金属导电性的有机电荷和转移早在1973年，Coleman和Ferraris同时报道了具有金属导电性的有机电荷和转移 复合物TTF-TCNQ的合成 L. B. Coleman. Solid. State. Common. 12, 1125, 1973 J. Ferraris. J. Am. Chem. Soc. 95, 948, 1973 后来延伸这一概念将金属作为电子给体，TCNQ作为电子受体的复合盐材料用于 信息存储材料的研究，通过电荷转移能来实现电学双稳态的转变

  29. 金属有机物复合材料 在HOPG热蒸发地方法制备Cu-TCNQ的导电薄膜通过stm针尖的电脉冲刺激 使薄膜局域性质发生稳定转变并通过加热退火实现薄膜的形貌复原 M. Matstumoto. Chem. Lett. Jpn. 1991, 6, 1021,

  30. Ag-TCNQ系统与Cu-TCNQ相似的性质，通过脉冲引起可逆的相转变，转变区域Ag-TCNQ系统与Cu-TCNQ相似的性质，通过脉冲引起可逆的相转变，转变区域 尺寸50nm左右，存储密度1010bit/cm2 H. J. Gao. J. Vac. Sci. Technol. , 1996, 2, 1349

  31. 金属参杂有机物复合材料有其局限性，金属原子难以单个原子的形式均匀金属参杂有机物复合材料有其局限性，金属原子难以单个原子的形式均匀 分散在有机物介质中，金属原子之间易聚成团簇导致材料局部导电性差异 较大。并且记录点尺寸不均一，进一步减小记录点尺寸也很困难。纯有机 物材料则没有上述缺点

  32. 两种分子物质的量1:1混合，真空 状态下蒸发制备薄膜 可以明显看出记录点处与非记录点 区的 I-V谱的不同，记录点处的导电 性显著增强，信息存储密度高达1013bits/cm2 记录点通过4V,10ms的脉冲获得 L. P. Ma. Appl. Phys. Lett. , 1996, 69, 3752

  33. I-V谱，存储密度达到1014bits/cm2 通过4.3V, 10ms 的脉冲获得记录点 D. X. Shi. Adv. Mater. , 2001, 13, 1103

  34. 可以形成规则排列的晶体薄膜， 且自身既是给体又是电子受体 材料信息存储密度达到1013bits/cm2 施以2.46V, 10ms的电脉冲 I为打脉冲前的I-V谱，II为打脉冲后的I-V谱 可以发现明显的电性变化 Daoben Zhu. Adv. Mater. , 2005, 17, 2170

  35. 存储方法 最大区域存储密度(Gbit/cm2) 磁存储 PM >15.5 AFC >15.5 探针存储 STM >155000 AFM 77.5

  36. 总结 • 基于磁性颗粒的信息存储材料的研究与应用已经相当成熟，但当磁性颗粒尺寸小到一定程度时容易发生信息丢失，限制信息存储容量 • 各种信息存储技术中SPM技术信息存储容量最大，其中STM的分辨率最高，但在信息读写上存在技术上的缺点，如读写速度慢，代价高，材料稳定性低，薄膜质量要求较高限制其实际应用

  37. 寻找新的双稳态材料，改进SPM的信息读写方式如针尖阵列读写等在材料制备和材料应用技术方面进行探索寻找新的双稳态材料，改进SPM的信息读写方式如针尖阵列读写等在材料制备和材料应用技术方面进行探索

  38. Thank you !

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