Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Рис.1. Схема устройства перпендикулярной записи информации, использующего магнитный нанокомпозит
Рис.2. Эволюция физических принципов и устройств записи информации: 1. механический принцип записи (перфокарта), 2. магнитная запись информации (изображение магнито-силовой микроскопии дорожек жесткого диска компьютера), 3. – оптический принцип записи (АСМ изображение поверхности DVD диска, интервал между витками – 1.6 мкм, ширина углубления – 0.5 мкм, глубина – 0.125 мкм, минимальная длина – 0.83 мкм). 4. магнитный нанокомпозит – ферромагнитная нанопроволока в матрице мезопористого диоксида кремния (просвечивающая электронная микроскопия). Фотографии 2, 3, 4 – экспериментальные результаты ФНМ МГУ.
Рис.3. Процедура создания мезопористой матрицы: мицеллы поверхностно-активного вещества формируют упорядоченную гексагональную структуру (лиотропная жидкокристаллическая матрица), в которую внедряется гель гидратированного диоксида кремния. После деликатного низкотемпературного отжига в окислительной атмосфере (атмосфере кислорода) ПАВ – шаблон выгорает, вода удаляется и в образовавшемся оксидном материале остается «отпечаток» тех мицелл, которые были первоначально использованы в виде шаблона – формируется мезопористая струкура.
Рис.4. Поперечный разрез пленки анодированного (мезопористого) оксида алюминия, заполненного электрохимически нанонитями металлического никеля.
Магнитные нанонити в порах оксида алюминия (фото ФНМ МГУ)
Дополнительно: контроль размера пор в оксидной пленке анодированного алюминия.
Дополнительно: нанонити металлического никеля после вытравливания матрицы оксида алюминия раствором щелочи (фото ФНМ МГУ)
Дополнительно: анизотропия магнитных свойств нанонитей никеля в матрице пористого оксида алюминия.
Дополнительно: величина (коэрцитивная сила), отвечающая за перемагничивание (стирание или записывание) информации для ферромагнитных нанопроволок в матрице мезопористого диоксида кремния (данные ФНМ МГУ).
Дополнительно: частицы гексаферрита в стеклообразной матрице (фото ФНМ МГУ)
Дополнительно: нервные клетки (аксоны) на поверхности с искусственным рельейом поверхности (фото компании HP)

"Вспомнить все" по-нанотехнологически...

Ключевые слова:  запись информации, магнитные нанокомпозиты, наноазбука, нанотехнологии, периодика

Автор(ы): А.А.Елисеев (ФНМ МГУ), Е.А.Киселева (ФНМ МГУ), И.Большаков (ФНМ МГУ), К.Напольский (ФНМ МГУ)

Опубликовал(а):  Гудилин Евгений Алексеевич

24 мая 2007

“Рукописи не горят!”
"Мастер и Маргарита",
М.А.Булгаков.




Современному человеку нравится быть мобильным и иметь при себе различные высокотехнологичные устройства, облегчающие жизнь, да и, что там скрывать, делающие ее более насыщенной и интересной. И появились-то они – миниатюрные, удобные, цифровые – всего за последние 10-15 лет благодаря интенсивному развитию информационных технологий. Однако новые технологические решения подразумевают не только уникальные системы обработки, но и все более емкие «хранилища» информации, создаваемые с использованием все новых физических принципов записи (рис.1). Проблема хранения информации встала перед человечеством еще несколько тысячелетий назад – вспомните хотя бы наскальную живопись, древние иконы или письменность.

По аналогии с обычной письменностью первые устройства хранения информации использовали бумажные или картонные носители – так называемые перфокарты и перфоленты (Рис.2,1). Хранение информации в них осуществлялось с помощью перфоратора, пробивавшего дырки в определенных местах, а информация считывалась специальным оптическим устройством и поступала в обработку. Однако увеличение производительности компьютеров в скором времени потребовало увеличения банков данных, а расход бумаги только одной ЭВМ повысился до полутонны в день.

Естественно, так дальше продолжаться не могло, и в декабре 1952 года корпорация IBM показала миру первые устройства хранения информации на магнитной ленте. Магнитные ленты, знакомые многим по аудио- и видеокассетам, хранят данные в виде непрерывно изменяющихся аналоговых сигналов. Это сравнительно дешевый, но медленный носитель информации. Тем не менее, в мощных компьютерах для хранения больших объемов данных часто используют высокоскоростные многодорожечные магнитные ленты, удобные для резервного копирования всей информации с дисков компьютерных систем. С развитием вычислительной техники потребовался унифицированный цифровой формат хранения данных, в качестве которого был выбран двоичный код, а минимальная ячейка информации была названа битом. Этот формат приобрел всемирную популярность, практически полностью вытеснив аналоговую запись. Кодирование символа (буквы алфавита, знаков препинания и т.д.) сегодня осуществляется 8 битами или байтом: один байт хранит в себе один из 256 возможных символов. Большинство современных цифровых носителей информации основывается на схемах магнитной, оптической, электронной и комбинированной (магнито-оптической, магниторезистивной и т.д.) записи информации.

Первым цифровым носителем информации стал магнитный дисковый накопитель (IBM RAMAC, 1956 г.) являвшийся компромиссным решением между магнитной лентой и граммофонной пластинкой. Даже чтение магнитных дисков во многом аналогично считыванию сигнала с грампластинки, с той лишь разницей, что в качестве считывающего устройства в магнитном накопителе используется магниторезистивный сенсор, а не игла фонографа. Для увеличения емкости магнитного накопителя он содержит не один, а сразу стопку дисков. Как правило, пластины изготавливают из алюминия, стекла или керамики и наносят на них слои высококачественного ферромагнетика. Для считывания информации головка перемещается на некотором расстоянии от поверхности пластины (около 10 нм), которая вращается с постоянной скоростью (до 15 тыс. оборотов в минуту), преобразуя магнитное поле в электрический ток. Чем меньше это расстояние, тем больше точность считывания, и тем выше может быть плотность записи информации. Магнитное покрытие диска разбито на множество мельчайших областей спонтанной намагниченности (битов), собственные магнитные моменты которых ориентируются в соответствии с направлением прикладываемого магнитного поля и «замораживаются» в таком положении после прекращения действия внешнего поля, сохраняя записанную на диск информацию (Рис.2,2). Сама среда записи уже давно является наноструктурированной – она состоит из магнитных частиц сплава CoPtCrB размером 10-15 нм. К сожалению, разработчикам магнитных дисков пока не удалось достичь воспроизводимой записи на отдельные частицы, и в современных устройствах на один бит информации отводятся весьма значительные площади: ширина магнитной “дорожки” составляет порядка 1 мкм, а длина области, соответствующей одному биту - 50-70 нм. Тем не менее, достигнутая на сегодня плотность записи просто поражает воображение: 1010 бит (десять милиардов бит) содержатся всего на одном квадратном сантиметре поверхности диска! При этом стоимость 1 гигабайта на магнитном носителе составляет менее 0,5 доллара США! Сегодня основная борьба за дальнейшее усовершенствование устройств магнитной записи состоит в преодолении так называемого «суперпарамагнитного предела». Казалось бы, чем меньше магнитные частицы, тем плотнее они могут быть упакованы, и тем выше будет плотность записи. Однако, начиная с какого-то размера, частицы становятся настолько маленькими, что не могут поддерживать длительный эффект намагничивания ввиду возрастания тепловых колебаний магнитного момента (см. «суперпарамагнетизм»). Но не стоит расстраиваться – магнитные системы хранения информации еще не скоро достигнут своего предела, установленного природой и открывающего новую – голографическую – главу в истории устройств данных (Рис.2).

Основным конкурентом устройств магнитной записи на рынке являются оптические диски. В 1982 году фирмы Sony и Philips завершили работу над форматом CD-аудио (Compact Disk), открыв тем самым эру цифровых носителей на компакт-дисках. Трудно сейчас найти человека, у которого не было бы нескольких CD с музыкой или компьютерными играми. При оптическом принципе работы этих дисков чтение и запись информации осуществляется лазером с длиной волны от 780 нм для CD и 650 нм для DVD до 405 нм для новых Blu-ray дисков. В оптической записи данные кодируются в виде последовательности отражающих и не отражающих участков, которые интерпретируется как единица и ноль, соответственно (рис.2,3). Максимальный объем информации для оптических дисков составляет от 680 Мбайт (СD) до 17 Гб (DVD) при массе всего лишь 14-33 грамм. Однако основным недостатком оптической записи все еще остается низкая скорость чтения/записи информации, составляющая менее 100 Мбайт/с для Blu-ray дисков (по сравнению с 1,5 Гб/с в магнитных накопителях). И все же, недавно были анонсированы принципы создания первых голографических HVD (Holographic Versatile Discs) дисков емкостью до 4 Tбайт (тирабайт), практически не уступающих по скорости доступа магнитным HDD.

Сравнительно недавно (в 1988 году) компания Intel разработала еще один способ хранения данных на основе микросхем Flash-памяти, запоминающая ячейка которой представляет собой транзистор с двумя изолированными затворами (Рис.2,5): управляющим и плавающим, способным удерживать электроны, то есть заряд. При программировании микросхемы между коллектором и эмиттером создается канал – поток электронов, некоторые из которых – высокоэнергетические – преодолевают слой изолятора и попадают на плавающий затвор, где могут храниться в течение нескольких лет. Низкий заряд на плавающем затворе соответствует логической единице, а высокий – нулю. При чтении эти состояния распознаются путем измерения порогового напряжения транзистора. Когда Вы стираете с флэшки какой-либо файл, на управляющий затвор подается высокое отрицательное напряжение, и электроны с плавающего затвора переходят (туннелируют) на исток. Кроме флэш-памяти в настоящее время разрабатываются новые технологии создания постоянных электронных запоминающих устройств. Флеш-память имеет массу преимуществ, включая высокую скорость доступа, и отсутствие задержек на механическое движение диска и считывающего устройства, однако стоимость 1 Гб электронного носителя более чем в 50 раз превосходит аналогичную величину для магнитной записи, и составляет более 25 долларов США. Промышленные гиганты многих стран мира пытаются использовать магнитные, туннельные, ферро- и пьезоэлектрические эффекты, а также фазовые превращения для создания электронных устройств сохраняющих информацию при отключении устройства от источника тока.

Большие перспективы имеет направление, связанное с созданием магнитных нанокомпозитов. Во многих случаях в качестве матриц для их создания используют различные пористые материалы, размер полостей которых лежит в нанометровом диапазоне. В эти поры можно вводить различные соединения, а затем, после химической модификации, получать частицы искомого материала, размер и форма которых повторяют форму полостей матрицы (Рис.2,4), а ее стенки предотвращают их агрегацию и защищают от воздействий внешней среды. Этот подход позволяет синтезировать наночастицы самых различных химических соединений: металлов и сплавов, оксидов и халькогенидов.

С точки зрения уникальных физических свойств особенно привлекательны наночастицы, обладающие анизотропной формой. Использование нанореакторов открывает широкие возможности для их синтеза и контроля морфологии: в слоистых матрицах можно получать двумерные наночастицы, а в матрицах с вытянутыми порами – одномерные. При этом можно также достичь ряда практически - важных характеристик: варьируемый размер пор (1-100 нм), однородность распределения пор по размеру, упорядоченность пор, создание анизотропных систем, изолированность каналов-пор, решение проблемы агрегации и химической изоляции наночастиц. Преимущества использования жидкокристаллических темплатов, формирующихся в системе ПАВ-вода в определенном диапазоне температур и концентраций, связаны с формированием упорядоченной системы однородных по размеру пор с контролируемым диаметром. Гидролиз алкоголятов с последующим отжигом приводит к формированию реплики жидкого кристалла в оксидной матрице, которая тем самым становится мезопористой. Мезопористый диоксид кремния, обладающий упорядоченной гексагональной структурой открытых цилиндрических пор, диаметр которых можно варьировать от 2 до 50 нм, является одной из перспективных матриц для получения одномерных наночастиц. Мезопористый диоксид кремния с диаметром пор от 2,1 до 3,7 нм был использован (на ФНМ МГУ) для получения нанонитей железа, обладающих ферромагнитными свойствами при комнатной температуре. Следует отметить, что при уменьшении размеров частиц ферромагнетика при достижении определенной критической точки происходит переход в суперпарамагнитное состояние, в котором магнитные моменты частиц разупорядочиваются из-за тепловых флуктуаций. Для сферических частиц железа этот размер составляет около 5 нм. Однако если наночастицы имеют нитевидную форму, происходит фиксация магнитного момента вдоль длинной оси частицы и магнитноупорядоченное состояние может сохраняться, если эти наночастицы закреплены в системе упорядоченных пор (система перпендикулярной записи информации, Рис.1).

Другой интересной матрицей для получения одномерных наночастиц является пористый оксид алюминия, образующийся при анодном окислении высокочистого полированного металлического алюминия в ряде электролитов. Этот материал имеет систему цилиндрических пор, располагающихся параллельно друг другу перпендикулярно плоскости пленки, причем при соблюдении определенных условий массивы этих пор могут обладать гексагональным упорядочением. Мезопористый оксид алюминия, полученный анодным окислением алюминия, уникален тем, что в процессе его получения можно контролировать основные микроструктурные параметры: расстояние между центрами соседних пор зависит от электролита и напряженности тока на электродах в ходе окисления, протяженность пор (толщина слоя) зависит от времени травления, а диаметр пор можно увеличивать путем дополнительного растравливания. Одним из методов получения магнитных нанокомпозитов в такой матрице является электрохимическое осаждение в поры магнитных металлов, например, никеля. При этом, в отличие от пленок мезопористого диоксида кремния, магнитные наночастицы располагаются в матрице не параллельно, а перпендикулярно поверхности подложки. Такой образом, становится возможным контролировать количество осажденного металла, варьировать длину получаемых частиц, а также их ориентацию относительно подложки.

Естественно, что каждый из существующих способов хранения информации обладает своими преимуществами и недостатками. И все же технологии не стоят на месте, и каждый год в согласии с «законом Мура» средняя плотность записи всех типов устройств возрастает в ~1,5 раза. Какая же из технологий является оптимальной, и будет доминировать на рынке через 10 лет? Время покажет …

Литература

  1. Магнитные ленты
  2. Flash-накопители
  3. Жесткие диски

По материалам "Нанотехнологии. Азбука для всех"
(подготовлено Е.А.Гудилиным)
(Заставка - из галереи сайта "Трансгуманизм")


В статье использованы материалы: Нанометра


Средний балл: 8.0 (голосов 6)

 


Комментарии
Трусов Л. А., 25 мая 2007 12:52 
скоро перед человечеством встанет проблема удаления информации.
Уже встала.. У Станислава Лема есть удивительная повесть о профессоре, зачатого, в том числе, и от лягушки, который предрек и наблюдал информациооный крах Человечества. Кажется, это было в серии "осмотр на месте" - давно читал, не помню, что-то про сварнетику :-)))
А какая из этих технологий позволяет дольше всего хранить информацию без перезаписи? Было бы интересно узнать.
Рафинад,кусочек рафинада(Ванга) - научно не опроверженно.Вот только с экспортацией проблемы будут. Особенно летом. И можно ли заменить кристалликом сахара?...:)
Shvarev Alexey Y, 01 июня 2007 05:55 
У меня есть наивный вопрос: на рисунке 1 магнитные моменты (стрелочки) на самом деле ПАРАЛЛЕЛьНЫ поверхности. В перпендикулярная записи то "стрелочки строго попиндикулярны" поверхности и субстрату. Специалисты, подскажите пожалуйта!
metalim, 07 июня 2007 02:11 
А нельзя было прочитать статью перед публикацией?


1) "составляющая менее 100 Мбайт/с для Blu-ray дисков (по сравнению с 1,5 Гб/с в магнитных накопителях)."

[a href=" http://en.wi...ueray"]ссылка
1x@36 Mbit/s & 2x@72 Mbit/s


2) "[a href=" http://ru.wi...D1%82"]Tбайт (тирабайт)"

3) "[a href=" http://ru.wi...D1.8B.D1.85
"]Максимальный объем информации для оптических дисков составляет от 680 Мбайт (СD) до 17 Гб (DVD)"
А как же другие способы и виды памяти?

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Наношланг
Наношланг

Новая магистерская программа
A new International Master for Research program built around two major themes of materials sciences, i.e., mechanics of materials and microstructures, will be starting in September 2016, at the Lorraine University in Nancy-Metz, France, organized by the Laboratory of Excellence 'DAMAS'.

Молекулярная природа наноразмерного оксидного катализатора
Каталитические системы на основе оксидов металлов активно применяются в промышленности и исследовательских лабораториях. В ходе механистических исследований было выявлено частичное растворение оксида металла с последующим образованием молекулярного комплекса, который и оказался активной формой катализатора. Таким образом, оксид металла не вовлечен напрямую в каталитический цикл, а является исходным реагентом для формирования гомогенной каталитической системы (DOI: 10.1021/acscatal.6b00337).

Россия и Иран подписали соглашение о сертификации нанотехнологической продукции
Предприятия российской индустрии будут взаимодействовать с иранскими коллегами в сфере оценки безопасности и сертификации нанотехнологической продукции.

СТО АСМК.021МУ-2015 и добавленная стоимость инноваций: как не споткнуться на рынке интеллектуальной собственности
Зорина Юлия Геннадьевна (эксперт-аудитор по интеллектуальной собственности), Парвулюсов Юрий Юрьевич (вице-президент фонда «ФИНАС»), Розов Денис Викторович (руководитель правового управления оборонного предприятия), Фокин Геннадий Васильевич (председатель технического комитета по стандартизации и депозитарий стандартов профессионального менеджмента интеллектуальной собственности серии «Интеллектуальная собственность и инновации»), +7(495)4904726, +7(985)0234384, +7(916)2050579, gvf@finas.su, www.finas.su
Правовой нигилизм и пренебрежение правовыми нормами гражданского оборота интеллектуальной собственности, искажение учета нематериальных активов (несоответствие первичной документации требованиям пункта 3 ПБУ 14/2007) и отсутствие эффективной системы документооборота менеджмента интеллектуальной собственности — грозят упущенной выгодой и административными, налоговыми, уголовными правонарушениями. Как поправить положение?

Форум тьюторов (1 часть)
Асмолова Екатерина
6 и 7 февраля 2016 года в рамках мероприятий X Всероссийской олимпиады школьников «Нанотехнологии – прорыв в будущее!» проходила Открытая Нанотехнологическая Школа-конференция для школьников, студентов и преподавателей. Представляем Вашему вниманию краткий фототчет Форума Тьюторов.

Закон о реформировании РАН

В Совместном заявлении Совета по науке и членов Общественного совета Минобрнауки предлагается отозвать нынешний проект закона о "реформировании" РАН из Государственной думы и вернуться к его рассмотрению с соблюдением процедуры утвержденной постановлением Правительства РФ №851 от 25.08.2012, и указом Президента РФ №601 от 07.05.2012, которая была грубо нарушена. Мы предлагаем Вам высказать (анонимно) свое мнение в данном опросе, чтобы его статистические результаты были видны всем участникам опроса и общественности.

Проектная деятельность с точки зрения учителя

Это специальный опрос для учителей и представителей школ, которых мы просим оценить значимость предлагаемых материалов, мероприятий и перспективы их дальнейшего совершенствования на пути эффективного взаимодействия школ и ВУЗов. В опросе могут также участвовать школьники, студенты и аспиранты, особенно со своими критическими замечаниями в комментариях.

Проекты или прожекты?

Проектная деятельность школьников становится все более популярной, фактически превращается в "обязаловку" для школ и их воспитанников. При этом, что это такое и как с этим быть, знают не очень многие. Этот небольшой опрос ставит себе целью оценить, как сейчас понимаются вопросы проектной деятельности всеми потенциальными участниками этого непростого процесса.



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.