La magnétorésistance géante (GMR)

1/ Histoire d’une découverte

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

2 / Les applications de la GMR

BB

R

Principe de la détection de champ par une vanne de spin

Couche « piégée »

Couche « libre »

Couche centrale non magnétique : non représentée

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

2-2 : Détecteur de mouvement

Quelques exemples de capteur de champ magnétiqueutilisant l’effet GMR

5 109 têtes GMR vendues de 1997 à 2007

Marché

IBM Ultrastar 36ZX (SCSI server disk)• 10 plateaux• Capacité 36 GB• 10 000 RPM

2-1 : Voyage à l’intérieur d’un disque dur

10 cm

2-1 : A l’intérieur 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 circulairesrigides (Al, verre,…)

supportant le dépôt de matériau magnétique

Têtes écriture & lecture

Circuit électronique des têtes

1 µm

10 cm

2-1 : A l’intérieur d’un disque dur

Schéma d’un disque dur

Vitesse de rotation du disque : 10000 tours /minute

Rayon = 3 cm

2-1 : A l’intérieur d’un 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

Coupe transversale d’un disque2-1 : A l’intérieur d’un disque dur

Substrat : fin, rigide, résistant aux chocs, rugosité faible

couche lubrifiantecouche 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

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

2-1 : A l’intérieur d’un disque dur

La couche ferromagnétique est faite de nanoparticules

zones de moment uniforme

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

Dans chaque bit : quelques dizaines de nanoparticules ferromagnétiques

x

y

r

piste de garde

Largeur du bitLargeur de la transition

« track pitch » 160 nm

40 nm 100 Gbit/in2

1 inch = 2.54 cm

1 (ou 0) correspondent en réalité à l’existence (ou non) d’un changement de direction du moment d’un bit au suivantits

1

1

0

00

1

Ecriture

Tête d’écriture : petit électro-aimant

média

transitionbit

v

bobine Ie

circuit magnétique

2-1 : A l’intérieur d’un disque dur

B

Mz

- Bret + Bret

10 nm

Champ appliqué B positif ou négatif 1 T

Largeur de l’entrefer 10 nm

retBB

Lecture2-1 : A l’intérieur d’un disque dur

Capteur de champ magnétique utilisant l’effet GMR

épaisseur quelques nm

U résistance du capteur

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 l’intérieur d’un disque dur

Les capteurs GMR ont permis d’améliorer les deux critères

2-1 : A l’intérieur d’un disque dur5 109 tetes GMR vendues de 1997 à 2007

1997

2-1 : A l’intérieur d’un disque dur

60 cm

1,2 m 10000 $ /Mb

0.05 $ /Mb

1 byte = 8 bits

Perspectives2-1 : A l’intérieur d’un disque dur

Super-paramagnetique limite !!!!

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.

Hitachi Announces 4TB Disk Drives through New Head Technology

Géométrie CPP

I

V

Géométrie CIP

I

V

2-1 : A l’intérieur d’un disque dur

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

2-2 : Détecteur de mouvement

La plupart des véhicules contiennent des matériaux ferromagnétiques

dans leur chassisDétection de véhicules

Sources de champ magnétique

2-2 : Détecteur de mouvement

Capteurs de mouvements

rotationtranslation

Plusieurs fabricants : marché

2 - 2 : Détecteur de mouvement

1/ Histoire d’une découverte

3/ De la magnétorésistance géante à l’électronique de spin

2 / Les applications de la GMR

Les jonctions tunnel et les MRAM

Partie 2 / Les applications de la GMR

Principe d’une jonction tunnel

En présence d’une différence de potentiel entre deux électrodes métalliquesun 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

AlAl2O3

Courant non nul !

TMRTunelling 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 couchesFe

FeMgO

Jonctions tunnel magnétorésistives

Barrière isolante Mg0 ou Al203

Couche ferromagnétique libre

Couche ferromagnétique « piégée »

I

V

100 nm

Stocker 1 Stocker 0

Couche ferromagnétique piégée

I

V

Etat anti parallèle Etat parallèle

Résistance élevée Résistance faiblep

pap

RRR

Al2O3 : 70 %

MgO : 400%

3 : MRAM

Pour passer de la configuration parallèle à antiparallèle appliquer un champ qui retourne le moment de la couche libre

Yasua et al 2005

Image faite en microscopie électronique à transmission

%200R

RR

p

pap

Difficulté majeure : couche isolante de quelques nm sans défauts !!

Fe / MgO / Fe

3 : MRAM

MRAM : écriture

Dispositif vertical bien adapté aux hautes densités

Une mémoire NON volatile à faible consommation électrique

Insensible aux radiations Usage spatial

MRAM : lecture Mesurer la résistance

3 : MRAMAppliquer un champ qui détermine

l’orientation du moment de la couche libre

1 bit

Magnetic Random Access Memory

PtMn (200 Å)

CoFe (20 Å)

NiFe (20Å)

IrMn (60Å)

Ru (50 Å)

Ta (50 Å)

Al2O3 (9 Å)

CoFe (20 Å)

Ru (8 Å)

Ta (100 Å)

Élément de mémoire MRAMutilisant la TMR 2008

3 : MRAM

1975 : Existence d’un 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 - 512 Ko 200 Mo/s

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)

3 : MRAM

Conclusion

1935 1970 1988

N. Mott : modèle à deux courantsPour le transport dans un ferromagnétique

A. Fert : preuve expérimentaledans un matériau massif

A. Fert / P. Grünberg : Découverte GMRdans des multicouches

19971991

Spin valve

Tête de lecture GMR parallèle

2007

Tête de lecture GMR

perpendic

ulaire(démonstrateur)

2007Prix Nobel

Pour en savoir plus

http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2007/