“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. магнітний 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 нанопроволоку в матриці мезопористого діоксиду кремнію (просвітчаста електронна мікроскопія). Фотографії 2, 3, 4 – експериментальні результати ФНМ МГУ.
Рис.3. Процедура створення мезопористого матриці: міцели поверхнево-активної речовини формують упорядковану гексагональну структуру (Ліотропний рідкокристалічна 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 мезопористого структура.
Рис.4. Поперечний розріз плівки анодованого (мезопористого) оксиду алюмінію, заповненого електрохімічних нанониток металевого нікелю.
Магнітні нанониток в порах оксиду алюмінію (фото ФНМ МДУ)
Додатково: контроль розміру пор в оксидної плівці анодованого алюмінію.
Додатково: нанониток 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 (коерцитивної сила), що відповідає за перемагнічування (стирання або записування) інформації для феромагнітних нанодротиків в матриці мезопористого діоксиду кремнію (дані ФНМ МДУ).
Додатково: частинки гексаферріта в стеклообразной 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.Елісеев (ФНМ МДУ), Е.А.Кіселева (ФНМ МДУ), І.Большаков (ФНМ МДУ), К.Напольскій (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, який пробивав дірки в певних місцях, а інформація зчитувалася спеціальним оптичним пристроєм і надходила в обробку. Однак збільшення продуктивності комп’ютерів незабаром зажадало збільшення банків даних, а витрата паперу лише однієї ЕОМ підвищився до півтонни в день.


Природно, 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 по аудіо-та відеокасетах, 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 многодорожечной 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, розділових знаків 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 магнітної, оптичної, електронної та комбінованої (магніто-оптичної, магніторезистивні і т.д.) запису інформації.


Першим цифровим носієм інформації став магнітний дисковий накопичувач ( IBM RAMAC, 1956 р.) був компромісним рішенням між магнітною стрічкою і грамофонній платівкою. Навіть читання магнітних дисків в чому аналогічно зчитуванню сигналу з грамплатівки, з тією лише різницею, що в якості пристрою, що зчитує в магнітному накопичувачі використовується магніторезистивні 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 голівка 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» в такому положенні після припинення дії зовнішнього поля, зберігаючи записану на диск інформацію (Рис.2, 2). Сама середу 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 відтворної записи 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, що 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 складає менше 0,5 долара США! Сьогодні основна боротьба за подальше удосконалення пристроїв магнітного запису складається в подоланні так званого «суперпарамагнітного межі». Здавалося б, чим менше магнітні частинки, тим щільніше вони можуть бути упаковані, і тим вище 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 якої 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 становить від 680 Мбайт (СD) до 17 Гб (DVD) при масі всього лише 14 –33 грам. Проте основним недоліком оптичного запису все ще залишається низька швидкість читання / запису інформації складає менше 100 Мбайт / с для Blu-ray дисків (у 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 за швидкістю 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 являє собою транзистор з двома ізольованими затворами (Рис.2, 5): керуючим 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 небудь файл, на керуючий затвор подається висока негативна напруга, і електрони з плаваючого затвора переходять (туннелирующих) 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 пристрої, 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 в якості матриць для їх створення використовують різні пористі матеріали, розмір порожнин яких лежить в нанометровому діапазоні. У ці пори можна вводити різні сполуки, а потім, після хімічної модифікації, отримувати частинки 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 двомірні наночастинки, а в матрицях з витягнутими порами – одномірні. При цьому можна також досягти низки практично – важливих характеристик: варійований розмір пор (1-100 нм), однорідність розподілу пор за розміром, впорядкованість пір, створення анізотропних систем, ізольованість каналів-пор, вирішення проблеми агрегації та хімічної ізоляції наночастинок. Переваги використання рідкокристалічних темплатів, які формуються в системі ПАВ-вода в певному діапазоні температур і концентрацій, пов’язані з формуванням впорядкованої системи однорідних за розміром пір з контрольованим діаметром. Гідроліз алкоголятов з подальшим відпалом приводить до формування репліки рідкого кристала в оксидної матриці, яка тим самим стає мезопористого. Мезопористий діоксид кремнію, що володіє впорядкованої гексагональної структурою відкритих циліндричних пор, 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 суперпарамагнітное стан, в якому магнітні моменти частинок разупорядочіваются через теплових флуктуацій. Для сферичних частинок заліза цей розмір становить близько 5 нм. Однак якщо наночастки мають ниткоподібну форму, відбувається фіксація магнітного моменту уздовж довгої осі частинки і магнітноупорядоченное стан може зберігатися, якщо ці наночастки закріплені в системі впорядкованих 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 пор, розташованих паралельно один одному перпендикулярно площини плівки, причому при дотриманні певних умов масиви цих пір можуть володіти гексагональним упорядкуванням. Мезопористий оксид алюмінію, отриманий анодним окисленням алюмінію, унікальний тим, що в процесі його одержання 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 в 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 відносно 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 у згоді з «законом 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>

*

*