"Згадати все" по-нанотехнологічних …






Рис.1. Схема пристрою перпендикулярного запису інформації, що використовує магнітний нанокомпозит

Рис.2. Еволюція фізичних принципів і пристроїв запису інформації: 1. механічний принцип запису (перфокарта), 2. магнітна запис інформації (зображення магніто-силової мікроскопії доріжок жорсткого диска комп'ютера), 3. – Оптичний принцип запису (АСМ зображення поверхні DVD диска, інтервал між витками – 1.6 мкм, ширина поглиблення – 0.5 мкм, глибина – 0.125 мкм, мінімальна довжина – 0.83 мкм). 4. магнітний нанокомпозит – феромагнітна нанодротиків в матриці мезопористого діоксиду кремнію (просвітчаста електронна мікроскопія). Фотографії 2, 3, 4 – експериментальні результати ФНМ МДУ.

Рис.3. Процедура створення мезопористий матриці: міцели поверхнево-активної речовини формують впорядковану гексагональну структуру (ліотропний РК-матриця), в яку впроваджується гель гідратованого діоксиду кремнію. Після делікатного низькотемпературного відпалу в окисної атмосфері (атмосфері кисню) ПАР – шаблон вигорає, вода віддаляється і в утворився оксидному матеріалі залишається «відбиток» тих міцел, які були спочатку використані у вигляді шаблону – формується мезопористих структура.

Рис.4. Поперечний розріз плівки анодованого (мезопористого) оксиду алюмінію, заповненого електрохімічно нанониток металевого нікелю.

Магнітні нанонитки в порах оксиду алюмінію (фото ФНМ МДУ)

Додатково: контроль розміру пір в оксидної плівці анодованого алюмінію.

Додатково: нанонитки металевого нікелю після витравлювання матриці оксиду алюмінію розчином лугу (фото ФНМ МДУ)

Додатково: анізотропія магнітних властивостей нанониток нікелю в матриці пористого оксиду алюмінію.

Додатково: величина (коерцитивна сила), що відповідає за перемагнічування (стирання або записування) інформації для феромагнітних нанодротиків в матриці мезопористого діоксиду кремнію (дані ФНМ МДУ).

Додатково: частки гексаферритов в склоподібного матриці (фото ФНМ МДУ)

Додатково: нервові клітини (аксони) на поверхні з штучним рельейом поверхні (фото компанії HP)

 


Ключові слова: запис інформації, магнітні нанокомпозити, нанотехнології


Автор (и): А. А. Єлісєєв (ФНМ МДУ), Є. А. Кисельова (ФНМ МДУ), І. Большаков (ФНМ МДУ), К. Напольский (ФНМ МДУ)

24 травня 2007

"Рукописи не горять!"

"Майстер і Маргарита", М. А. Булгаков.

Сучасній людині подобається бути мобільним і мати при собі різні високотехнологічні пристрої, що полегшують життя, та й, що там приховувати, що роблять її більш насиченою та цікавою. І з'явилися-то вони – мініатюрні, зручні, цифрові – всього за останні 10-15 років завдяки інтенсивному розвитку інформаційних технологій. Однак нові технологічні рішення мають на увазі не тільки унікальні системи обробки, але і все більш ємкі «сховища» інформації, створювані з використанням все нових фізичних принципів запису (рис.1). Проблема зберігання інформації встала перед людством ще кілька тисячоліть тому – згадайте хоча б наскальний живопис, стародавні ікони чи писемність.

За аналогією зі звичайною писемністю перші пристрої зберігання інформації використовували паперові або картонні носії – так звані перфокарти і перфострічки (Рис.2, 1). Зберігання інформації в них здійснювалося за допомогою перфоратора, що пробиває дірки у певних місцях, а інформація зчитувалася спеціальним оптичним пристроєм і поступала в обробку. Однак збільшення продуктивності комп'ютерів незабаром вимагало збільшення банків даних, а витрата папери тільки однієї ЕОМ підвищився до півтонни на день.

Звісно, так далі тривати не могло, і в грудні 1952 року корпорація IBM показала світу перші пристрої зберігання інформації на магнітній стрічці. Магнітні стрічки, знайомі багатьом з аудіо-і відеокасет, зберігають дані у вигляді безперервно змінюються аналогових сигналів. Це порівняно дешевий, але повільний носій інформації. Тим не менш, у потужних комп'ютерах для зберігання великих обсягів даних часто використовують високошвидкісні багатодоріжковий магнітні стрічки, зручні для резервного копіювання всієї інформації з дисків комп'ютерних систем. З розвитком обчислювальної техніки потрібен уніфікований цифровий формат зберігання даних, в якості якого був обраний двійковий код, а мінімальна комірка інформації була названа бітом. Цей формат набув всесвітню популярність, практично повністю витіснивши аналогову запис. Кодування символу (букви алфавіту, знаків пунктуації і т.д.) сьогодні здійснюється 8 бітами або байтом: один байт зберігає в собі один з 256 можливих символів. Більшість сучасних цифрових носіїв інформації грунтується на схемах магнітній, оптичної, електронної та комбінованої (магніто-оптичної, магніторезистивної і т.д.) запису інформації.

Першим цифровим носієм інформації став магнітний дисковий накопичувач ( IBM RAMAC, 1956 р.) був компромісним рішенням між магнітною стрічкою і грамофонної платівкою. Навіть читання магнітних дисків багато в чому аналогічно зчитування сигналу з грамплатівки, з тією лише різницею, що в якості пристрою, що зчитує в магнітному накопичувачі використовується магніторезистивний сенсор, а не голка фонографа. Для збільшення ємності магнітного накопичувача він містить не один, а відразу стопку дисків. Як правило, пластини виготовляють з алюмінію, скла або кераміки і наносять на них шари високоякісного ферромагнетика. Для зчитування інформації головка переміщається на деякій відстані від поверхні пластини (близько 10 нм), яка обертається з постійною швидкістю (до 15 тис. обертів на хвилину), перетворюючи магнітне поле в електричний струм. Чим менше ця відстань, тим більше точність зчитування, і тим вище може бути щільність запису інформації. Магнітне покриття диска розбите на безліч дрібних областей спонтанної намагніченості (бітів), власні магнітні моменти яких орієнтуються у відповідності з напрямком прикладається магнітного поля і «заморожуються» у такому становищі після припинення дії зовнішнього поля, зберігаючи записану на диск інформацію (Рис.2, 2). Саме середовище записи вже давно є наноструктурованих – вона складається з магнітних частинок сплаву CoPtCrB розміром 10-15 нм. На жаль, розробникам магнітних дисків поки не вдалося досягти відтворюваної запису на окремі частки, і в сучасних пристроях на один біт інформації відводяться вельми значні площі: ширина магнітної "доріжки" становить близько 1 мкм, а довжина області, відповідає одному біту – 50-70 нм. Тим не менш, досягнута на сьогодні щільність запису просто вражає уяву: 1010 біт (десять мільярдів біт) містяться всього на одному квадратному сантиметрі поверхні диска! При цьому вартість 1 гігабайта на магнітному носії становить менше 0,5 долара США! Сьогодні основна боротьба за подальше удосконалення пристроїв магнітного запису полягає в подоланні так званого «суперпарамагнітної межі». Здавалося б, чим менше магнітні частинки, тим щільніше вони можуть бути упаковані, і тим вищою буде щільність запису. Однак, починаючи з якогось розміру, частки стають настільки маленькими, що не можуть підтримувати тривалий ефект намагнічування зважаючи зростання теплових коливань магнітного моменту (див. «суперпарамагнетізм»). Але не варто засмучуватися – магнітні системи зберігання інформації ще не скоро досягнуть своєї межі, встановленого природою і відкриває нову – голографічну – Главу в історії пристроїв даних (Рис.2).

Основним конкурентом пристроїв магнітного запису на ринку є оптичні диски. У 1982 році фірми Sony і Philips завершили роботу над форматом CD-аудіо (Compact Disk), відкривши тим самим еру цифрових носіїв на компакт-дисках. Важко зараз знайти людину, у якого не було б декількох CD з музикою або комп'ютерними іграми. При оптичному принципі роботи цих дисків читання і запис інформації здійснюється лазером з довжиною хвилі від 780 нм для CD і 650 нм для DVD до 405 нм для нових Blu-ray дисків. У оптичного запису дані кодуються у вигляді послідовності відображають і не відображають ділянок, які інтерпретується як одиниця і нуль, відповідно (рис.2, 3). Максимальний обсяг інформації для оптичних дисків складає від 680 Мбайт (СD) до 17 Гб (DVD) при масі всього лише 14 – 33 грам. Однак основним недоліком оптичного запису все ще залишається низька швидкість читання / запису інформації, яка складає менше 100 Мбайт / с для Blu-ray дисків (в порівнянні з 1,5 Гб / с в магнітних накопичувачах). І все ж, нещодавно були анонсовані принципи створення перших голографічних HVD (Holographic Versatile Discs) дисків ємністю до 4 Tбайт (тірабайт), практично не поступаються по швидкості доступу магнітним HDD.

Порівняно недавно (у 1988 році) компанія Intel розробила ще один спосіб зберігання даних на основі мікросхем Flash-пам'яті, Що запам'ятовує осередок якої представляє собою транзистор з двома ізольованими затворами (Рис.2, 5): управляючим і плаваючим, здатним утримувати електрони, тобто заряд. При програмуванні мікросхеми між колектором і емітером створюється канал – потік електронів, деякі з яких – високоенергетичні – долають шар ізолятора і потрапляють на плаваючий затвор, де можуть зберігатися протягом декількох років. Низький заряд на плаваючому затворі відповідає логічній одиниці, а високий – нулю. При читанні ці стани розпізнаються шляхом вимірювання порогової напруги транзистора. Коли Ви перете з флешки який-небудь файл, на керуючий затвор подається висока негативна напруга, і електрони з плаваючого затвора переходять (тунельного) на джерело. Крім флеш-пам'яті в даний час розробляються нові технології створення постійних електронних запам'ятовуючих пристроїв. Флеш-пам'ять має масу переваг, включаючи високу швидкість доступу, і відсутність затримок на механічний рух диска і зчитує пристрою, проте вартість 1 Гб електронного носія більш ніж в 50 разів перевершує аналогічну величину для магнітного запису, і складає більше 25 доларів США. Промислові гіганти багатьох країн світу намагаються використовувати магнітні, тунельні, феро-і п'єзоелектричні ефекти, а також фазові перетворення для створення електронних пристроїв зберігають інформацію при відключенні пристрою від джерела струму.

Великі перспективи має напрямок, пов'язаний зі створенням магнітних нанокомпозитів. У багатьох випадках як матриць для їх створення використовують різні пористі матеріали, розмір порожнини яких лежить у нанометровому діапазоні. У ці пори можна вводити різні сполуки, а потім, після хімічної модифікації, одержувати частки шуканого матеріалу, розмір і форма яких повторюють форму порожнин матриці (Рис.2, 4), а її стінки запобігають їх агрегацію і захищають від впливів зовнішнього середовища. Цей підхід дозволяє синтезувати наночастинки самих різних хімічних сполук: металів і сплавів, оксидів та халькогенідів.

З точки зору унікальних фізичних властивостей особливо привабливі наночастинки, що володіють анізотропної формою. Використання нанореакторов відкриває широкі можливості для їх синтезу та контролю морфології: в шаруватих матрицях можна отримувати двовимірні наночастинки, а в матрицях з витягнутими порами – одномірні. При цьому можна також досягти ряду практично – важливих характеристик: варійований розмір пор (1-100 нм), однорідність розподілу пор за розміром, впорядкованість пір, створення анізотропних систем, ізольованість каналів-пор, рішення проблеми агрегації та хімічної ізоляції наночасток. Переваги використання рідкокристалічних темплатів, що формуються в системі ПАР-вода в певному діапазоні температур і концентрацій, пов'язані з формуванням впорядкованої системи однорідних за розміром пір з контрольованим діаметром. Гідроліз алкоголятов з наступним відпалом призводить до формування репліки рідкого кристала в оксидної матриці, яка тим самим стає мезопористий. Мезопористий діоксид кремнію, що володіє впорядкованої гексагональної структурою відкритих циліндричних пір, діаметр яких можна варіювати від 2 до 50 нм, є однією з перспективних матриць для отримання одновимірних наночастинок. Мезопористий діоксид кремнію з діаметром пор від 2,1 до 3,7 нм був використаний (на ФНМ МДУ) для отримання нанониток заліза, що володіють феромагнітними властивостями при кімнатній температурі. Слід відзначити, що при зменшенні розмірів частинок феромагнетика при досягненні певної критичної точки відбувається перехід в суперпарамагнітні стан, в якому магнітні моменти частинок разупорядочіваются через теплових флуктуацій. Для сферичних частинок заліза цей розмір становить близько 5 нм. Однак якщо наночастки мають ниткоподібні форми, відбувається фіксація магнітного моменту вздовж довгої осі частинки і магнітноупорядоченное стан може зберігатися, якщо ці наночастки закріплені в системі упорядкованих пір (система перпендикулярного запису інформації, Рис.1).

Іншою цікавою матрицею для отримання одновимірних наночастинок є пористий оксид алюмінію, що утворюється при анодному окисненні високочистого полірованого металевого алюмінію в ряді електролітів. Цей матеріал має систему циліндричних пір, розташованих паралельно один одному перпендикулярно площині плівки, причому при дотриманні певних умов масиви цих пір можуть володіти гексагональних впорядкуванням. Мезопористий оксид алюмінію, отриманий анодним окисленням алюмінію, унікальний тим, що в процесі його отримання можна контролювати основні мікроструктурні параметри: відстань між центрами сусідніх пір залежить від електроліту і напруженості струму на електродах в ході окислення, протяжність пір (товщина шару) залежить від часу травлення, а діаметр пір можна збільшувати шляхом додаткового растравліванія. Одним з методів отримання магнітних нанокомпозитів у такій матриці є електрохімічне осадження в пори магнітних металів, наприклад, нікелю. При цьому, на відміну від плівок мезопористого діоксиду кремнію, магнітні наночастки розташовуються в матриці не паралельно, а перпендикулярно поверхні підкладки. Такий чином, стає можливим контролювати кількість обложеного металу, варіювати довжину одержуваних часток, а також їх орієнтацію щодо підкладки.

Природно, що кожен з існуючих способів зберігання інформації має своїми перевагами і недоліками. І все ж технології не стоять на місці, і кожен рік в згоду з «закону Мура» середня щільність запису всіх типів пристроїв зростає в ~ 1,5 рази. Яка ж з технологій є оптимальною, і буде домінувати на ринку через 10 років? Час покаже …

Література

1. Магнітні стрічки


http://www.imation.ru/about_imation/newsroom/2003_50yearstape.html

2. Flash-накопичувачі


http://q-lab.ru/ru_flash.shtml


3. Жорсткі диски


http://www.citforum.ru/hardware/bookide/bookide1.shtml


Схожі статті:


Сподобалася стаття? Ви можете залишити відгук або підписатися на RSS , щоб автоматично отримувати інформацію про нові статтях.

Коментарів поки що немає.

Ваш отзыв

Поділ на параграфи відбувається автоматично, адреса електронної пошти ніколи не буде опублікований, допустимий HTML: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

*

*