00

Миниатюрные датчики для проверки жестких дисков

Миниатюрные датчики для проверки жестких дисков

Квантовые технологии открывают новые пути миниатюризации электронных компонентов. Квантовый датчик от фраунгоферских ученых скоро сможет измерять мельчайшие магнитные поля внутри жестких дисков. Для создания таких датчиков будут использоваться искусственно выращенные алмазы.

Интегральные схемы с каждым годом становятся все более сложными. Процессор Pentium уже сейчас состоит приблизительно из 30 миллионов транзисторов. А магнитные структуры на жестком диске имеют размер от 10 до 20 нанометров – это меньше, чем размеры вируса гриппа (80-120 нм). Такими темпами разработчики электронных компонентов скоро будут оперировать величинами, которые до настоящего времени использовались разве что в квантовой физике. Исследователи из Института прикладной физики твердого тела Фраунгофера уже сегодня сталкиваются с проблемами квантовых технологий. Вместе с коллегами из Института исследования твердых тел общества Макса Планка они разработали квантовый датчик, который с большой точностью измеряет мельчайшие магнитные поля. Размер датчика приблизительно равен размеру атома азота. Подложкой служит искусственный алмаз.

Алмаз был выбран в качестве подложки благодаря высокой механической и химической стабильности, а также некоторым другим привлекательным свойствам. Например, можно внедрить в него бор или фосфор – и кристалл станет полупроводником. Алмаз прекрасно подходит для оптических схем. Но главным его свойством является огромная теплопроводность. Внутренние силы связи позволяют быстро отводить тепло.

Специалисты Института прикладной физики твердого тела Фраунгофера за последние десятилетия разработали и оптимизировали установки для производства алмазов. Процесс индивидуального изготовления происходит в микроволновом плазменном реакторе, и в Институте Фраунгофера таких реакторов множество. При температуре 800-900 градусов по Цельсию газообразный метан и водород в плазме образуют алмазные слои на алмазной подложке. Затем кристалл с длиной граней от трех до восьми миллиметров отделяется от подложки лазером и полируется.

Алмаз как магнитный детектор

Для производства инновационных квантовых датчиков нужен кристалл высокой чистоты, поэтому необходимо выполнять особые условия. Для роста ультрачистых алмазных слоев метан, из которого в алмаз попадает углерод, предварительно очищается с помощью циркониевых фильтров. При этом газ должен быть изотопически чистым, поскольку 12С – устойчивый изотоп атома углерода (без ядерного спина) – необходимое условие для получения магнитного датчика. Водород также проходит очистку. Полученный таким образом монокристаллический алмаз теперь должен стать магнитным детектором. Это может быть сделано двумя способами. Первый – имплантировать атом азота, а второй – добавить азот на последней фазе роста алмаза. После этого в чистых помещениях института методом травления в кислородной плазме формируются иглы. Результатом является тонкое алмазное острие, которое напоминает деталь атомно-силового микроскопа. Введенный атом азота занимает пустое место в кристаллической решетке – вакансию.

Этот центр – вакансия с атомом азота – и является сенсором. Он излучает свет при облучении лазером и микроволнами. При приближении магнита он реагирует изменением света. Эксперты говорят о спектроскопии оптически детектируемого магнитного резонанса (ОДМР). Возможно не только обнаружить магнитное поле с точностью до нанометров, но и определить его силу. И это открывает новые границы применения изобретения. Крошечные алмазные иглы подходят, например, для контроля качества жестких дисков. В наполненном хранилище данных всегда можно найти маленькие ошибки. Квантовый датчик обнаружит эти ошибки. При записи и чтении данных датчик не мешает и не может быть обнаружен. Такое применение позволило бы снизить количество брака, которого в настоящее время довольно много – особенно с учетом тенденции к миниатюризации – а значит, снизились бы и издержки производства.

Измерение токов головного мозга

Применений для мини-датчика можно найти множество, поскольку слабые магнитные поля присутствуют везде, даже в человеческом мозге. «Магнитное поле возникает даже тогда, когда перемещаются мельчайшие частицы – например, электроны», – говорит эксперт из Института прикладной физики твердого тела Фраунгофера Кристоф Небель (Christoph Nebel). Когда мы думаем или чувствуем, токи головного мозга создают магнитное поле. С помощью датчика можно проверить, какие области мозга активизируются при определенной деятельности. Токи можно измерить напрямую с помощью электродов, но результат будет не очень точным. А вот измерение магнитного поля даст более точные результаты. Датчики, которые используются в настоящее время, имеют один недостаток: они должны охлаждаться жидким азотом. Новая технология позволяет работать при температуре окружающей среды и не требует охлаждения. Для подобных целей используются не иглы, а пластинки с вакансиями, куда встроены атомы азота. Каждая такая вакансия создает точку, из которых затем формируется снимок.

Но пока команда ученых занимается исследованием и усовершенствованием «высокотехнологичного» алмаза. Его применение в квантовых датчиках – это только начало. 

Возврат к списку

Хотите подписаться на статьи электронного журнала "Электрорешения"?