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Noise mechanisms in heat-assisted magnetic recording
Olivia Muthsam
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (Dissertationsgebiet: Physik)
Betreuer*in
Dieter Süss
DOI
10.25365/thesis.62591
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-16297.42818.318270-8
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die Nachfrage nach Speichermedien steigt mit dem wachsenden Datenvolumen. In den letzten 50 Jahren ist die Speicherdichte von Festplatten exponentiell gewachsen. Heutzutage hat sich das Wachstum allerdings verlangsamt, da die verwendeten konventionellen Speichertechniken keine Speicherdichten im Bereich von mehreren Tb/in^2 erzeugen können. Die wärmeunterstützte magnetische Aufzeichnung (HAMR) [englisch: heat-assisted magnetic recording] ist eine Speichertechnik, die die Speicherdichten von Festplatten über das Limit der derzeit genutzten Speichermethoden hinaus verbessert. Die Schlüsseltechnologie bei HAMR besteht darin, einen thermischen Impuls in den Speicherprozess zu integrieren, um die Koerzitivfeldstärke von hochanisotropen Materialien zu senken und sie mit den verfügbaren Kopffeldern schreiben zu können. Der Hitzepuls stellt jedoch viele Herausforderungen dar. Ein großes Problem sind thermische Schreibfehler, die zu unerwünschtem Schreiben von benachbarten Körnern oder dem Zurückschalten von Körnern aufgrund einer zu langsamen Abkühlungsphase führen können. Das Ziel dieser Arbeit ist es, verschiedene Herausforderungen in HAMR zu untersuchen und geeignete Lösungen zur Reduzierung thermischer Schreibfehler zu finden.
Der wichtigste Parameter zur Bestimmung der Qualität der aufgezeichneten Bits ist das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) [englisch: signal-to-noise ratio]. Es gibt an, wie gut das ausgelesene Signal im Vergleich zum Hintergrundrauschen ist. Es ist von großem Interesse, den Einfluss verschiedener Material- und Schreibkopfparameter auf den SNR zu verstehen. Die umfassende Untersuchung in dieser Arbeit zeigt, dass die Dämpfungskonstante ein kritischer Parameter für die Verbesserung der Qualität von geschriebenen Bits in HAMR ist.
Eines der bisher unbeachteten Probleme bei HAMR ist die Tatsache, dass der aufgebrachte Hitzepuls zu einem Temperaturgradienten im Aufzeichnungsmaterial führt. Es wird untersucht, wie dieser Temperaturgradient die Aufzeichnungsleistung in Bezug auf die maximal mögliche Schaltwahrscheinlichkeit und die Breite des Übergangs zwischen den Bits beeinflusst. Darüber hinaus wird veranschaulicht, dass ein künstlicher Curie-Temperaturgradient innerhalb des Materials den Leistungsverlust durch den Temperaturgradienten ausgleichen kann.
Das größte Problem bei hartmagnetischen FePt-ähnlichen Körnern, die für den Einsatz in HAMR vorgesehen sind, ist die Tatsache, dass diese Körner trotz des angelegten Schreibfeldes nicht zuverlässig während vernünftiger Zeiten beschrieben werden können. Dies führt zu dem sogenannten DC-Rauschen, das die maximale Schaltwahrscheinlichkeit von Bits begrenzt. Dies bedeutet, dass die Informationen nicht zuverlässig geschrieben werden. Eine Struktur bestehend aus einer Schicht hartmagnetischem und einer Schicht weichmagnetischem Material mit erhöhter Curie-Temperatur ermöglicht eine Verbesserung der maximalen Schaltwahrscheinlichkeit auf 100%. Diese doppelschichtige Struktur führt jedoch zu hohem AC-Rauschen, was zu größeren Übergangsbereichen zwischen den Bits und damit einer begrenzten Speicherdichte führt. Die weichmagnetische Materialzusammensetzung einer Doppelschichtstruktur wird in dieser Arbeit optimiert, um sowohl AC- als auch DC-Rauschen zu reduzieren. Die Ergebnisse zeigen, dass beide Rauschquellen reduziert werden können sowie dass die optimale Materialzusammensetzung stark von der Dämpfungskonstante abhängig ist.
Der Hitzepuls führt zu einer weiteren Herausforderung bei HAMR. Durch das gekrümmte thermische Profil des Hitzepulses ist der Übergang zwischen den Bits stärker gekrümmt als bei den derzeit verwendeten Speichertechniken. Es wird erwartet, dass dies die Qualität des Rücklesesignals und damit den resultierenden SNR beeinflusst. Vor kurzem wurde ein Schreibkopfdesign mit vertauschten Polen vorgeschlagen, bei dem ein großer räumlicher Feldgradienten des Schreibkopfes der Schlüssel ist, um die Krümmung zwischen den Bits zu reduzieren. In dieser Arbeit wird der Schreibpol eines HAMR Schreibkopfes optimiert, um sowohl große Feldgradienten als auch große Felder im Bereich des Hitzepulses zu erzeugen. Dies geschieht durch Topologieoptimierung. Die Ergebnisse zeigen, dass die Steigerungen des Feldgradienten durch die Optimierung nicht ausreicht, um eine signifikante Reduzierung der Krümmung zu erreichen. Es lässt sich erneut nachweisen, dass die Dämpfungskonstante des Speichermaterials eine Schlüsselrolle bei der Reduzierung der Übergangskrümmung spielt.
Abstract
(Englisch)
The demand for storage devices increases with the growing amount of data. Over the last 50 years, the areal density in magnetic hard disk drives (HDD) has experienced exponential growth. However, the growth rate has slowed down since conventional recording techniques that are used nowadays cannot produce areal storage densities (AD) in the range of several Tb/in^2. Heat-assisted magnetic recording (HAMR) is a recording technique that can improve the areal storage densities of hard disk drives beyond the density limits of conventional recording techniques. The key technology in HAMR is the inclusion of a heat pulse in the recording process to lower the coercivity of high-anisotropy materials and make them writeable with the available head fields. However, the heat pulse causes diverse challenges. A big problem are thermally written-in errors which can lead to unwanted writing of neighboring grains or back-switching of grains due to slow cooling. The aim of this work is to investigate various noise sources in HAMR that lead to thermally written-in errors and find suitable solutions to reduce them.
The main parameter to determine the quality of the recorded bits is the signal-to-noise ratio (SNR). It gives a measure on how good the read-back signal of a GMR read head is compared to the background noise. It is of great interest to understand the influence of various material and write head parameters on the SNR. The comprehensive investigation of this work shows that the damping constant of the material of the recording grains is a critical parameter to improve the quality of written bits in HAMR.
One of the problems in HAMR which has remained unobserved so far is the fact that the applied heat pulse leads to a temperature gradient within the recording material. It is investigated how this temperature gradient influences the recording performance in terms of the maximum possible switching probability and the width of the transition between bits. Moreover, it is illustrated that an artificial Curie temperature gradient within the material can compensate the performance loss due to the temperature gradient.
The biggest problem with hard magnetic FePt-like grains, intended for the use in HAMR, is the fact that this type of grain cannot be reliably written during reasonable access times, despite the applied head pulse. This leads to the so-called DC noise, which limits the maximum switching probability of bits. An bilayer structure consisting of 50% hard and 50% soft magnetic material with graded Curie temperature allows to improve the maximum switching probability to 100%. However, this bilayer structure leads to high AC noise, which results in larger transition areas between bits and thus limits the areal density. In this work, the soft magnetic material composition of a bilayer structure is optimized in order to reduce both AC and DC noise. The results show, that both noise sources can be reduced and that the optimal material composition is strongly depending on the damping constant.
The heat pulse leads to another challenge in HAMR. Due to the curved thermal profile of the heat pulse, the transition between bits is significantly more curved than it is for conventional recording techniques. This is expected to reduce the quality of the read-back signal and thus the resulting SNR. Recently, a write head design with flipped write and return poles was proposed where a large spatial field gradient of the write head is the key to significantly reduce the transition curvature. In this work, the write pole of a heat-assisted magnetic recording head is optimized in order to produce large field gradients as well as large fields in the region of the heat pulse. This is done by topology optimization. The results show that the gradients of the optimized head design are not sufficient to lead to any significant improvement of the written track. It is again shown, that the damping constant of the recording material plays a key role for the curvature reduction.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
hard disk drives heat-assisted magnetic recording magnetic storage
Schlagwörter
(Deutsch)
Festplatten wärmeunterstützte magnetische Aufzeichnung magnetischer Speicher
Autor*innen
Olivia Muthsam
Haupttitel (Englisch)
Noise mechanisms in heat-assisted magnetic recording
Paralleltitel (Deutsch)
Rauschmechanismen bei der wärmeunterstützten magnetischen Aufzeichnung
Publikationsjahr
2019
Umfangsangabe
xi, 168 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Richard Francis Llewelyn Evans ,
Ondrej Hovorka
AC Nummer
AC16129369
Utheses ID
55318
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 411 |