De què està feta el disc dur?

Fabricació i materials per discs durs (discs)

A continuació hi ha un petit synopsis d'alguns dels problemes clau en fer discs difícils quan es mira des del punt de vista d'un científic material. En nom, per superar alguns reptes tècnics per fer i millorar els discs durs, quins materials són millors i per què?

Suport d' emmagatzematge magnètic

Els dispositius durs usen el magnetisme per a emmagatzemar informació en una capa de material migenètica sota la superfície del disc que gira. Si haguéssiu de mirar amb gran magnificació a la superfície del plat d'un disc dur típic, veuríeu imatges similars als de la dreta. Aquestes imatges s' han trobat utilitzant una resolució d' alta resolució S' està explorant el microscopi (SEM). Com podeu veure, el material no és uniforme sinó d'una col·lecció de grans gras que típic diàmetre és al voltant de 10 nm. Aquestes imatges van ser obtingudes a Yale per un SEM allotjades pel L'Institut de Yale per a la Nanoscience i en 1950 Enginyeria (YINQUER) .

La informació es desa en la capa magnètica creant petits Dominis magnètics En aquest material. Els dominis magnètics són regions del material que tenen la mateixa direcció de moment magnètic . Magnetisme en general i la formació dels moments magnètics ferromagnetic El material es deriva fonamentalment de Gir de electrons (i.e. El fet que electrons actua com imants de bar petit). Podeu llegir els enllaços de dalt a un millor coneixement dels detalls.

La relació dels grans (mostrat a dalt) als dominis magnètics no és una a una. Dins d'un gra donat, la magnetització sempre està en la mateixa direcció (p.E. un gra solter no té múltiples dominis). Però avui en dia per un disc dur típic, molts gras s'alien moments magnètics Tots junts en la mateixa direcció per crear un domini magnètic que pot ser centenars de nm de mida. En principi, cada gra podria actuar com a domini independent per a un magatzem d'informació molt dens; és només que amb la tecnologia actual, el camp magnètic d'un sol gra és tan feble com per sota dels límits de detecció per a ara els caps de lectura (veure a sota).

La informació del disc dur es desa en els patrons de la magnetització dels dominis magnètics. En el diagrama a la dreta, els dominis són indicats per les regions on el punt de fletxes magnètics en la mateixa direcció. (En el diagrama, els moments magnètics apunten en l'avió del plat, però la nova tecnologia de maquinari fa servir moments d'avió, però, el principi de l' operació és el mateix.) Per exemple, un domini apuntant a l'esquerra adjacent a un punt a la dreta representaria un binari zero, i el patró oposat de dreta a esquerra en representaria un.

Clarament, els dominis més petits poden ser, com més dens es pot desar la informació i la més alta de la capacitat. El que pot limitar la densitat d'emmagatzematge són molts fets, entre ells són molt petits dominis són difícils de crear i llegir enrere, (b) molt petits dominis pot girar de vegades les direccions a causa de la calor o soroll en l'entorn, i (c) quan estan molt petits dominis al costat de l'altre, els seus camps magnètics afecten els uns als altres i un domini poden girar l'imant d'un domini veí durant el temps. Tots aquests problemes creen errors a la lectura i escriuen les dades binàries, per tant, la informació està danyada o perduda.

Els materials actuals que formen les capes magnètices solen ser un aliatge metàl·lic. Un aliat metàl·lic és com una solució líquida en què diversos materials es dissolen: per exemple, quan es dissolen la sal en aigua o la mescla d'alcohol i aigua, la sal o alcohol es dissolen fins i tot a l'aigua. En un aliat, dos metalls (o un metall i un altre material) estan barrejats de la mateixa manera. Els exemples de aliatges són d'acer (el ferro i un petit carboni), bronze (copper i tint), i or i plata en joier (cada cosa permès amb rastres de metalls diferents per donar-los força). Per a discs durs, els aliatges magnètics solen ser típicament coPtCr (cobalt+plafarum+chromium) amb traces de boron o assaum afegit a vegades per millorar l'estabilitat dels dominis magnètics.

A la dreta hi ha una Transmissió electrònica Micròscopi (TEM) Imatges dels dominis magnètics per discs durs de Recerca d' IBM . La barra d' escala a la part superior esquerra és 10 nanòmetres (nm) per tant aquests dominis només tenen desenes de nanòmetres a través! Si mirem amb atenció, de vegades podeu veure Frells brillants en certs dominis, asseguren aquests marginals, en realitat es mostren la pila d'avions atòmics que fan el material: un cop bolque en el nano-escala, els àtoms no són gaire més petits...

S' estan llegint les dades

Donada alguns petits dominis magnètics existents en un disc dur, com es torna aquesta informació i es recupera? Quin tipus de material és millor per a això? Tal i com es descriu més amunt, la informació es desa en el patró canviant de magnetització: és a dir, quan el plat de disc dur gira per sota de la part del disc dur que llegeix la informació (el cap magnètic de lectura), els dominis magnètics canvien la direcció i les codificar la informació. Quan els dominis magnètics canvien de direcció, això vol dir que hi ha dos pols nord o dos dels dominis sud que s'enfronten els uns als altres: això crea camps magnètics forts al voltant d'aquesta zona. Així que el cap de lectura ha de viatjar molt a prop de la superfície del plat (veure més avall en això) com tracta de recollir els camps magnètics dèbils provinents d'aquests interruptors de domini són febles perquè els dominis són tan petits, només desenes de nanòmetres a través d'aquests discs durs!

Per tant, cal tenir un material molt sensible als camps magnètics i pot convertir l'existència dels camps del carrer en un senyal elèctric que es mesura per recuperar la informació binària. La idea bàsica és utilitzar un sistema material que depèn de la direcció del camp magnètic. Ohm Abreviació ens diu que la llei V=IR, és a dir, el voltage V a través d'un material de treball és proporcional a l'actual a través d'ella per vegades la seva resistència R. En un dispositiu típic com un disc dur, el volatge V es fixa com el subministrament d' energia, que per a una V fixa, l' actual canviarà inversament com a resistència: si R és gran i viceversa. Si el canvi en R és significatiu, llavors el canvi en el que seré mesurat fàcilment. Per tant a magnetosisiva El material és necessari, que canviarà la seva resistència R en resposta a un camp magnètic que hi prohibeix: això canviarà l'actual a través d'ella (a través d'un volatge fix) i, per tant, actuarà com un camp magnètic al convertidor elèctric actual! Així que la informació sortirà com una senyal elèctrica codificada en l'actual I (o alta o baixa representant el binari un o zero).

Tot això és bo en teoria, però hi ha materials magnètics que poden canviar l'app de resistència amb el camp magnètic? La resposta és sí, i el seu descobriment el 1988 va guanyar Peter Grünberg i Albert Ferert el premi Nobel el 2007 per descobrir Efecte d' agneto dièresi gegantName (GMR). El descobriment de GMR va ser encara més notable, ja que era d'aquesta importància tecnològica que en una sola dècada ja s'estava fent servir en productes comercials com el disc dur per a la ciència a la transferència de la tecnologia pràctica. El que van descobrir és que si un fa una estructura de sandvitxs en capes de dos materials magnètics separats per un altre material, l'actual passa entre les dues capes externes (magnètic) depèn fortament sobre si els camps magnètics de l'acte exterior en el sandvitx.

En més detall, el plànol de la dreta mostra la disposició d'un cap de lectura GMR. Hi ha dues capes magnètices (ferrognet a la imatge) separades per una capa de directors. L'actual ve d'un ferrognet a l'altre a través del maquinista. La part superior de la ferromagètic té la seva direcció magnètica fixat (per escollir un material magnètic adequat com ara CoFe, que canvia fàcilment la seva magnetització així com la proximitat a la capa antiferromagètic per sobre seu ajuda a posar la seva direcció magnètica en lloc degut a l'efecte de canvi mecànica quàntica). La part inferior de l' armatomanet pot canviar fàcilment la seva direcció com es mostra per les fletxes, i normalment està feta de NiFe (pemalia): el NiFe pot canviar fàcilment la seva direcció magnetització quan un camp magnètic extern (des dels interruptors del domini en el substrat) està actuant sobre ell. La resistència d'aquesta configuració canvia al voltant del 10% o més quan les direccions magnètics s'alineen o s'il·luminen, i això és un canvi prou gran per a propòsits d'enginyeria.

Però per què canvia la resistència? Increïblement, ho fa degut als efectes mecànics quàntiques dels electrons individuals! Els electrònica tenen una propietat anomenada Gir (que els fa actuar com si estiguessin girant sobre un eix com un superior). En materials magnètics, els eixos de rotació dels electrons s'alineen a la mateixa direcció, l' alineació cooperativa és el que realment crea magnetisme. Durant el flux actual, quan electrons van entre dos ferrots amb direccions aliniques, tenen un temps més fàcil (i.e. La resistència inferior) en oposició al cas d' alineació oposada (és a dir. La resistència més alta degut al desaparellat de les direccions rotacionals). Per tant, cada vegada que utilitzem un disc dur, fem servir efectes de mecànica quàntica en electrons individuals!

Alta velocitat, lectura d' altitud baixa

Per fer-ho per un disc dur ràpid que pot llegir dades ràpidament, el plat ha de girar a una alta velocitat les taxes típices són 5,400 o més revolucionaris per minut. Això vol dir que el cap de lectura es mou a una velocitat relativa de 100 km/hora (uns 62 km/ hores) amb respecte a la superfície del plat... imagina llegir un llibre que ràpidament!

Si això no és impressionant, considera que el cap de lectura ha d'estar molt a prop de la superfície del plat per poder llegir els petits dominis magnètics. Tanca aquí significa unes 10 nm. Per a referències, un full de paper és 0.1 mm o 100 micròmetres d' amplada; un pèl humà normalment és entre 50-200 micròmetres d'ample; estem parlant d'una alçada com a mínim de 1000 vegades més petits!

Així que tenim un cap de lectura movent-se a 100 km/hora només uns 10 nm per sobre. Com podeu imaginar, la superfície del plat ha de ser molt plana per evitar col· lisions entre la superfície de safata i el cap de lectura, i una gran quantitat d'enginyeria va cap a assegurar-se que la superfície és molt plana, que les forces de fricció i les forces d'arrossegades estan sota control, que els materials no s'agenollen sota escalfament o refrigeració, etc. No obstant això, per estar fora de perill totes les superfícies de disc dur es duen a terme amb un protector sobrecot i lubricant. El sobrecoat és típicament el carboni d'una forma semblant a un diamant que proveeix de resistència dures i corrossió; el sobrecorat és només un parell de nm espessos. Els lubricants típics són farinaer (PFPE) que són molt estables químicament i tèrmicament; la capa lubricant també és a la majoria de 1 nm.