Musterdatud andmekandjad

Magnetiline andmesalvestus

Võtmeidee digitaalsel magnetilisel andmesalvestusel on materjali väikese regiooni omadus olla ühes kahest hästi defineeritud magnetilistest olekutest. See vastab binaarsele numbrile. Üheteljelistele magnetilistele materjalidele on sellised olekud loomulikud ning magneetumist saab ümber pöörata magnetvälja rakendamisel. Tavapärastes kõvaketastes pöörleb materjal magnetiliste andmetega lugemispea all, mida liigutab juhtseadis üle pinna, võimaldades andmeid kirjutada või lugeda kontsentrilistel ümmargustel radadel. Andmekandja koosneb optimeeritud nanoteralisest magnetkilest, mis on on sadestatud mõlemale ketta substraadi poolele.
Kasv andmetiheduse, andmetalletuskiiruse ja muude jõudlusnäitajate poolest on saavutatud reeglina skaleerimise teel, muutes kirjutamis-lugemispead väiksemaks, pinnale sadestatud magnetmaterjalikihti õhemaks, koertsitiivsust suuremaks ning pinna-pea vahekaugust väiksemaks.
Andmetiheduse peamine kasv tuleneb terade arvu biti kohta vähendamine. See on aga piiratud võimalus, kuna signaali müra suhe on proportsionaalne terade arvuga biti kohta. 
Teine on vähendada tera suurust, kuid terasid alla 8–9 nm, millel oleks väikene suurusjaotus ja magnetiliste omaduste jaotus on väga keeruline toota.

Piirangud

Energiabarjäär, mis tera kahte stabiilset magneetuvuse olekut eraldab, on ligikaudu võrdne suurusega KᵤV, kus Kᵤ on materjali magnetilise anisotroopia konstant ning V on tera ruumala. Seega energiabarjäär ruumala vähendades kahaneb. Kui barjääri suurus saab soojus energiaga kBT võrreldavaks, hakkab magneetuvus spontaanselt pöörduma. Selleks, et kõvaketas (HDD; Hard Disk Drive) säilitaks informatsiooni 10 aastat, peetakse vajalikuks tingimuseks, et KᵤV/kBT peab olema suurem kui 60. See füüsikaline piir, nimetatud superparamagnetiliseks piiriks, seab piirangu tera suuruse vähendamisele. Edasine vähendamine oleks võimalik suurendades Kᵤ väärtust, kuid see tekitaks probleemide kirjutamisel, kus kirjutatava biti pindala on määratud piirangutega olemasolevatele kirjutamispea materjalidele. Neid kolme piirangut kutsutakse magnetilise salvestamise trilemmaks ja need piiravad andmesalvestustiheduse kasvu.
Kasutusel olev tehnoloogia võimaldab, ennustatavalt, suurimat andmetihedust 1 Tbit/in². Üheks võimaluseks edasi minna peetakse soojusassisteeritud magnetilist salvestamist (HAMR; Heat Assisted Magnetic Recording), kus koertsitiivsust vähendatakse laseriga biti soojendamise abil vahetult enne kirjutamisoperatsiooni. See tõstab ennustuste kohaselt salvestustiheduspiiri väärtusteni 5 Tbit/in². Seni (2018. a) pole veel suudetud usaldusväärselt ületada tihedust 1 Tbit/in². Kasutades musterdatud andmekandjaid, saaksid võimalikuks HAMR-BPM süsteemid, mille on abil saavutataks tihedusi kuni 300 Tbit/in², näiteks SmCo sulami kui ideaalse juhu korral.

Musterdatud andmekandjad kui tee edasi

Musterdatud andmekandja koosneb korrastatud magnetiliste elementide järjestusest, milles prevaleerib üheteljeline magnetiline anisotroopia. Iga element talletab ühe biti, sõltuvalt selle magnetilisest olekust – näiteks magnetilise polarisatsiooni vektur suunal "üles" võib tähistada mälubitti "1" ja suunal "alla" bitiväärtust "0". Erinevalt õhukesekilelistest infokandjatest on terad igas elemendis ühendatud nii, et terve element käitub üksiku magnetilise domeenina.
Selle skeemi suureks eeliseks on, et domeenidevahelise ülemineku müra kaob ära, sest bitid on defineeritud ketta pinnal üksteisest eraldi asetsevate elementide füüsilise asukoha järgi, mitte kahe omavahel füüsilises kontaktis oleva, kuid erinevalt magneetunud regiooni piiriga õhukeses kiles. Teiseks on stabiilsuse kriteerium nüüd seotud kogu elemendi ruumala ja anisotroopiaga, mitte üksikute teraliste regioonide omadega, mis võimaldab väga suuri andmetihedusi.

Ioonkiirlitograafia

Ioonkiirlitograafia on tehnika nanomeetriliste struktuuride valmistamiseks. Selle eeliste hulka võrreldes teiste litograafiameetoditega kuuluvad difraktsiooni puudumine, vähene hajumine alusel ja resistil, efektiivsus laial valikul resistidega, võimalus kahjustust täielikult vältida ja madal hind.
Peamised piirid tulevad ette ioonide hajumisese tõttu maskis, mis tekitab kontrasti vähendava tausta eksponeerituse. Selle probleemi lahendamiseks piiratakse ioonide ulatust murdosani maski paksusest, nii et hajunud ioonidel on võimalik uuesti maski struktuuris neelata. See nõuab maski avade suuri mõõtude suhteid sest näiteks 0,3 μm paksuse resisti jaoks on tarvis ioonkiirt energiaga 40 keV. See nõuaks 0,8 μm-ni ulatuvat maski paksust, millest tulenevalt oleks 50 nm maski elementide korral mõõtude suhet 16:1.

Elektronlitograafia

Elektronkiirlitograafia (EBL) on kõige laiemalt kasutatav meetod nanoskaalas mustrite valmistamiseks. EBL meetodil suunatakse peen, fokuseeritud elektronide kiir resistiga kaetud substraadile. EBL protsessis saab rakendada nii positiivse kui negatiivse resistiga variante. Võrreldes optilises litograafias kasutatava maskitava ultraviolettvalgusega on peale kiire fokuseerimise ka elektronide lainepikkused oluliselt väiksemad, mis võimaldab palju peenemai mustreid luua, kuni 10–20 nm. Komponentide valmistamine ühe kiirega on aga väga aeglane ja kulukas, mis piirab tööstuslikku kasutamist, ning lisaks on tarvis vaakumkeskkonda, et minimeerida elektronide kokkupõrked gaasi aatomitega.

Nanojäljendlitograafia

Nanojäljendlitograafia on sobiv võimalus nanomustrite ning seadmete tootmiseks kahe peamise meetodiga: mehaanilise jäljendi musterdamine ning ultraviolettvalguse, UV, ekspositsiooni musterdamine. Nanojäljendlitograafias kaetud resist, näiteks Polümetüülmetakrülaat, PMMA, kuumutatakse klaasisiirdetemperatuurini ning sellele surutakse nanomusterdatud tempel. Seejärel polümeer jahutatakse allapoole klaasisiirdetemperatuuri ning tempel ning substraat eraldatakse. UV korral lastakse valgus läbi musterdatud klaasmaski, et lokaalselt monomeer ristsidestada ning see musterdatud polümeeriks muundada.

Anodeeritud alumiiniumoksiidkiled

Anodeeritud alumiiniumoksiidi kilede joondatud pooride ridasid on võimalik kasutada jäljenditena metallide ning sulamid elektrosadestusel. Alumiiniumi anodeerimisel tekkiv oksiidikiht koosneb tihedalt pakitud pooridest, kus pooride vahekauguseid ning suuruseid kontrollivad anodeerimise parameetrid, nagu pinge, vool või pH. Vertikaalseid poore on siis võimalik elektrosadestusega katta näiteks Co, CoPt või muude magnetmaterjalidega. On saavutatud pooridiameetreid 11 nm ja perioode 40 nm üle 100 μm² pinna tihedalt pakitud korrastusega. 
Kasutades lisaks ka nanojäljendtemplit on võimalik alumiiniumkilele tekitada täkked. Seejärel anodeerides tekivad poorid jäljendite "kraatrite" keskele. Üldine pooride arv seetõttu kasvab 50%, mis on väga kasulik kõrgema tihedusega pooride saamiseks.

Saavutused

Toshiba on välja töötanud tootmismeetodi, mis, kasutades juhtmustreid selleks, et kontrollida isekoostuvate punktide rivisid ning on tootnud edukalt musterdatud salvestuskeskkondi. Sellistel on olnud servomustrid punktirivides 17 nm sammuga, mis vastab 2,5 Tbit/in² andmetihedusele. Nimetatud seadme jaoks valmistati ka salvestuspea, millega mööda andmeradu liikuda, ning mis suutis servokontrolli operatsiooni demonstreerida.