Cómo el grafeno puede habilitar las próximas generaciones de discos de alta densidad

Después de décadas de mejoras en la tecnología de las unidades de disco duro (HDD), los fabricantes están ahora cerca de dar el próximo gran salto, que aumentará la densidad de existencias a nuevos niveles. Usando escritura asistida por láser, fabricantes como Seagate están proyectando HDD de más de 50 TB para 2026 y HDD de 120+ TB para 2030. Lo que permitirá esto son muchas mejoras tanto en los platos como en los cabezales de lectura / escritura.

Uno de los obstáculos con la implementación de la grabación magnética auxiliar térmica (HAMR) basada en láser, que debería permitir gran parte de este progreso, es encontrar una capa protectora sobre los recursos magnéticos que pueda tratar este calentamiento frecuente, pero también más delgada. que los revestimientos actuales, de modo que la cabeza pueda acercarse aún más a la superficie. Según un artículo reciente de N. Dwivedi et al. publicado en Nature Communications, este nuevo techo protector puede haberse encontrado en forma de láminas de grafeno.

La necesidad de un revestimiento protector

Vista esquemática de las estructuras del disco duro (a) Sección esquemática del disco duro con medio magnético, superposición de disco, lubricante, altura de vuelo, superposición de cabezal, cabezal. (b) Plato de óxido de CoCrPt desnudo. (Crédito: N. Dwivedi et al.)

Quizás la ironía de llamar a los discos duros "óxido rotatorio" es que el proceso de corrosión es uno de los principales enemigos para el funcionamiento a largo plazo de estos dispositivos. La fina capa magnética en la parte superior del material base de un plato se corroería fácilmente si se dejara expuesta a la atmósfera. Cobalto, el Co. las aleaciones de CoCrPt, son especialmente sensibles a este proceso. Una vez corroída, esa parte del plato sería mucho menos eficaz para mantener una orientación magnética. Uno de los principales propósitos de este forro, o abrigo, es evitar que esto suceda.

El otro uso del abrigo es como dispositivo de protección contra daños mecánicos. A pesar de todo el miedo a los “golpes de cabeza”, el contacto mecánico con el plato es bastante común, y uno de los usos del abrigo es brindar protección contra esto, así como reducir la fricción. Este último generalmente implica el uso de lubricantes, lo que agrega otra capa sobre el revestimiento. Junto con el revestimiento, la capa lubricante forma una parte significativa del espacio entre el medio del cabezal (HMS) y, por lo tanto, qué tan cerca puede llegar el cabezal a la grabación.

Para que la densidad de área (AD) de los discos duros continúe aumentando, es necesario que este HMS disminuya aún más, lo que significa una disminución general. En la actualidad, se trata de recubrimientos a base de carbono (COC), generalmente entre 2,5 y 3 nm de espesor. Para futuros medios magnéticos de alta densidad compatibles con HAMR, esto significa que el COC debe cumplir con los siguientes requisitos:

  • Proporcionar todas las funciones con recubrimiento
  • Protección total contra la corrosión
  • Antifricción equivalente al COC actual
  • Desgaste (elasticidad, es decir, módulo de Young)
  • Una combinación de lubricantes (por ejemplo, PFPE).
  • Imagen TEM en el plano de la capa CoCrPt-SiO2. (Crédito: I. Kaitsu ka)

    Cabe señalar aquí que es probable que el propio material de grabación magnética cambie durante la transición de PMR (grabación magnética perpendicular) a HAMR. Esto es similar a lo que ocurrió durante la transición del registro magnético lineal (MRL) a PMR, como se detalla en este artículo I. Kaitsu et al. de 2005.

    Con LMR, los platos usaban un recubrimiento de CoCrPt para los medios magnéticos, pero para PMR ese recubrimiento tenía que ser más granulado. La solución aquí se encontró en la adición de SiO2, ya que sus límites de grano subdividen cuidadosamente el CoCrPt en granos magnéticos que funcionan bien con un cabezal de lectura / escritura PMR.

    Para los medios magnéticos HAMR, la pila del plato se cambia nuevamente, esta vez para usar FePt para los medios de grabación, ya que esta aleación es generalmente estable con el uso de grabación por calor. Esto agrega dos requisitos adicionales al revestimiento de placa a base de FePt:

    • Térmicamente estable con ciclos HAMR.
    • Compatible no solo con CoCrPt, sino también con FePt.
    • Un problema continuo con los variadores basados ​​en HAMR es que la aplicación de calor local está deteriorando rápidamente el COC. Encontrar un nuevo material de recubrimiento más estable térmicamente es crucial en su futuro negocio.

      Eventualmente, las películas FePt probablemente cederán a medios diseñados por bits (BPM), en los que las islas magnéticas se atraen a la capa de grabación magnética. Esto sería similar a los granos magnéticos de CoCrPt-SiO2, solo que en una escala más pequeña. Idealmente, el mismo COC

      Las muchas caras del carbono

      Los diversos alótropos del carbono. El grafeno es un alótropo (b).

      Como indica el nombre COC, también se basa en átomos de carbono, al igual que el grafeno. Entonces, ¿cuál es la diferencia entre los AOC actuales y los nuevos AOC basados ​​en grafeno? La principal diferencia está en la forma en que se unen los átomos de carbono, también conocidos como alótropos de carbono. En el grafeno, los átomos de carbono están unidos en una red hexagonal regular.

      Esta cuadrícula regular es parte de la razón por la que el grafeno es tan estable, pero producirlo es un gran desafío a largo plazo. No se aisló ni caracterizó por completo hasta 2004, cuando Andre Geim y Konstantin Novoselov de la Universidad de Manchester utilizaron la técnica mundialmente famosa de la "cinta escocesa" para dibujar capas de grafeno de grafito.

      Desde entonces, continúa la búsqueda de aplicaciones comerciales del grafeno, siendo el uso en HDD-COCs uno de los más recientes. Como material bidimensional que es térmicamente y por lo demás estable, parece bastante ideal para cualquier situación en la que se requiera una cobertura total de la superficie. Incluso si dicha superficie se infla regularmente con láser como en el caso de los discos duros basados ​​en HAMR.

      Controles científicos

      Comparación de coeficientes de fricción medidos. (Crédito: N. Dwivedi et al.)

      Post N. Dwivedi et al. utilizó deposición química de vapor (CVD) para cubrir el medio desnudo con 1-4 capas de grafeno (1-4LG) mediante un proceso de transferencia en húmedo. Luego sometieron estos AOC de grafeno junto con los AOC comerciales existentes a varias pruebas, incluida la mecánica mecánica (fricción y desgaste), calentamiento por láser y protección contra la corrosión.

      Aunque incluso una capa de grafeno (1LG) logró reducir significativamente la corrosión y mostrar buenas propiedades mecánicas, de fricción y de estabilidad térmica, se encontró que las capas a base de> 2LG probablemente darían la mayor ventaja. No solo con los medios CoCrPt-SiO2 existentes, sino también con FePt con HAMR y HAMR más BPM. Lo que esto significa básicamente es que> 2LG COC es adecuado para discos duros hoy y hasta el futuro.

      Otro hallazgo interesante fue que los AOC de grafeno no necesitan lubricación al igual que los AOC comerciales actuales. La ventaja de esto es que la lubricación de PFPE usada comercialmente en discos duros no es térmicamente estable cuando se usa con HAMR y, por lo tanto, poder evitarlo en favor del grafeno resistente al calor significa que dos problemas se resuelven simplemente usando> 2LG en lugar de no grafeno COC.

      Son las cosas

      Lo más interesante de este artículo es comprender cómo el desarrollo de nuevas tecnologías a menudo se ve frenado por lo que parecen pequeños detalles. Aunque ya se encontraban medios de grabación magnéticos adecuados en FePt, y aunque la integración de láseres semiconductores en cabezales de lectura / escritura ya era un problema más o menos resuelto, la falta de material de superposición adecuado podría haber descarrilado todo ese esfuerzo, o al menos retrasarlo durante años. .

      Por supuesto, todavía no podemos celebrar ni pedir HDD de HAMR. La parte divertida de la ciencia de los materiales llega después de que se ha mostrado un concepto en el laboratorio y debe expandirse a la producción en masa. Existe una gran diferencia entre la CVD del grafeno en entornos de laboratorio para producir algunos platos para probar y producir miles y miles de ellos en una fábrica de automóviles.

      Hay formas vertiginosas de producir grafeno en este momento, que son buenas y malas noticias. No todos los métodos crean grafeno de la misma calidad y no todos los métodos se prestan para la producción en masa o para la integración en la fabricación de discos duros. Descubrir la mejor manera de tomar los resultados de esta revista reciente y hacer que funcione en una configuración de fábrica será el siguiente paso que puede llevar muchos años más.

      Pero como ocurre con todo en la ciencia, las cosas buenas les llegan a los pacientes.

      (Imagen de título: Representación de una hoja de grafeno. Crédito: AlexanderAlUS, CCA-SA 3.0)

América Aguilar
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