Kỹ thuật ghi cơ nhiệt
Đầu dò AFM được làm nóng bởi dây điện trở có khả năng ghi dữ liệu từng bit bằng cách quét trên bề mặt polyme.Sự kết hợp nhiệt và cơ của đầu dò làm cho polyme trở nên mềm và tan chảy vì vậy dễ dàng ghi những dữ liệu trong không gian lưu trữ. Kỹ thuật này được đề xuất bởi nhóm nghiên cứu IBM Zurich. Sau đây là tóm tắt ngắn gọn công việc nghiên cứu của nhóm và làm nổi bật một số vấn đề quan trọng bao gồm quá trình chuyển nhiệt và tính chất vật lý của môi trường polyme trong suốt quá trình viết cơ nhiệt.
Hình mô tả quá trình:
a) b)
Hình 3.3: a) Giản đồ mô tả quá trình ghi cơ nhiệt với cantilever đƣợc nung nóng b) Ảnh SEM của cantilever ghi
Các chân cantilever Si được chế tạo dẫn điện cao bằng cách cấy iôn liều cao trong khi vùng nónh (kể cả đầu dò Si) vẫn giữ lượng pha tạp thấp để có điện trở cao. Khi một dòng điện chạy qua cantilever và một lực lớn áp lên đầu dò nóng để thành vết lõm trong môi trường polyme. Vettiger đã công bố rằng ban đầu sự chuyển nhiệt từ đầu dò đến vùng polyme thông qua diện tích tiếp xúc là rất ít và chỉ
34
được cải thiện khi diện tích tiếp xúc gia tăng. Trong thí nghiệm của họ thì đầu dò được làm nóng tại nhiệt độ tương đối cao khoảng 4000
C thì mới bắt đầu làm mềm polyme. Đầu dò sau đó được đẩy vào polyme để gia tăng thể tích và do đó để lại kích cỡ dữ liệu bit.
Nhóm nghiên cứu tại IBM Zurich đã chứng minh rằng đầu dò cantilever ngoài khả năng sử dụng để ghi dữ liệu mà nó còn có chức năng làm đầu dò nhiệt để đọc các dữ liệu thông qua điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ. Điện trở R tăng không tuyến tính với năng lượng nhiệt/nhiệt độ từ nhiệt độ phòng đến giá trị nhiệt độ đỉnh khoảng 500 – 7000C. Nhiệt độ đỉnh được quyết định bởi nồng độ pha tạp tại khu vực làm nóng mà trong khoảng từ 1x1017 đến 2x1018 cm3. Ở trên nhiệt độ đỉnh thì điện trở giảm xuống khi số hạt tải cơ bản gia tăng do sự kích thích nhiệt. Đối với cảm biến, điện trở hoạt động tại 3500C, nhiệt độ này không đủ lớn để làm mềm polyme, cho trường hợp ghi dữ liệu. Vettiger đã giải thích rằng nguyên lý cảm biến nhiệt dựa trên sự thay đổi dẫn điện giữa vùng nóng và đế lưu trữ dựa vào khoảng cách giữa chúng. Không gian giữa cantilever và đế lưu trữ truyền nhiệt từ mặt này qua mặt kia. Khi mà khoảng cách giữa chỗ nung nóng và mẫu giảm khi đầu dò di chuyển xuống chỗ tạo dữ liệu, quá trình truyền nhiệt qua không khí sẽ là hiệu quả hơn và nhiệt độ của chỗ nung nóng và điện trở sẽ giảm xuống. Vì vậy, sự thay đổi nhiệt độ liên tục của điện trở được điều khiển trong khi cantilever quét trên bề mặt, tạo ra cách thức phát hiện dữ liệu (bit).
Kỹ thuật Milipede
Trong những năm đầu thập niên 1990, những nhà nghiên cứu tại IBM lần đầu tiên chứng minh quá trình ghi lưu trữ dự liệu (bit) bằng kỹ thuật cơ nhiệt dựa trên một đầu dò AFM. Họ đã cải thiện mật độ lưu trữ lên đến 30 Gb/inch mà tiêu biểu cho sự cải tiến ý nghĩa trong thời gian đó. Một đầu dò AFM có thể hoạt động ở micro giây trong khi lưu trữ từ (magnetic) hoạt động ở nano giây. Rõ ràng thấy rằng tỉ lệ dữ liệu AFM phải cải thiện gấp ba lần độ lớn để có thể cạnh tranh với sự ghi (recording) bằng từ hiện tại và trong tương lai. Để giải quyết vần đề này, những nhà
35
nghiên cứu IBM đã chế tạo mảng 5x5 đầu dò và sau đó phát minh ra kỹ thuật Milipede dựa trên mảng 32x32 đầu dò cho sự ghi dữ liệu song song.
a) b)
Hình 3.4: a) Giản đồ hình dạng mảng đầu dò AFM b) Ảnh chụp của chip với mảng 32x32 cantilever tại vị trí giữa hình
Cả toàn bộ mảng cantilever lẫn vùng polyme được quét thoe hướng x và y. Sự tiếp xúc giữa mảng đầu dò và polyme được điều khiển bằng cách đều chỉnh thế áp trục z của gốm áp điện và chỉ có một bộ hồi tiếp được sử dụng để điều khiển tất cả các đầu dò. Nhiều cảm biến được tích hợp tại những góc của mảng chip để điều khiển sự lại gần (approach) của chip đến vùng lưu trữ. Những cảm biến này cung cấp những tín hiệu phản hội để điều chỉnh gốm áp điện theo chiều Z cho đến khi tiếp xúc với vùng polyme đồng đều được thiệt lập. Trong suốt quá trình ghi dữ liệu, chip được quét trên một diện tích được gọi là khu vựa lưu trữ và từng cantilever của mảng ghi và đọc dữ liệu chỉ trong vùng của nó. Một mảng chip cantilever 32x32 khả năng tạo ra 1024 vùng lưu trữ ở một diện tích nhỏ hơn 3mm x 3mm. Khả năng lưu trữ dữ liệu tương ứng của 1024 vùng là 0.9 Gb tương ứng với mật độ là 500 Gb/inch.
Mặc dù bộ lưu trữ mật độ cao đầu tiên bằng mảng chip 2D đã được minh chứng, có rất nhiều vấn đề cần được xem xét trước khi kỹ thuật Milipede có thể nhìn nhận cho những ứng dụng thương mại. Dựa theo những báo cáo của Vettiger thì một số vần đề chưa được giải quyết bao gồm: (i) sự tin cậy trên toàn hệ thống
36
như mật độ bit, sự hao mòn đầu dò và môi trường polyme, sự xóa và ghi lại; (ii) giới hạn của tỷ lệ dữ liệu, mật độ diện tích, mảng và cantilever; (iii) sự tích hợp CMOS; (iv) sự tối ưu hóa hệ thống ghi/đọc; (v) sự theo dõi (tracking) mảng chip; (vi) tỷ lệ dữ liệu với năng lượng tiêu thụ. Nhóm nghiên cứu IBM Zurich đang phát triển mẫu thử để khảo sát những khía cạnh quan trọng. Họ đã xác định cơ chế vật lý cơ bản của sự phân hủy polyme mà gắn liền với mối quan hệ giữa những tính chất polyme và các thông số hoạt động của Milipede. Thực tế là việc ghi là một quá trình bền vững về lựa chọn polyme có thể mở rộng để tối ưu hóa môi trường và cho các yêu cầu kỹ thuật bổ sung.