Après des décennies d’améliorations apportées à la technologie des disques durs (HDD), les fabricants sont maintenant sur le point de franchir le prochain grand pas qui augmentera la densité de stockage à de nouveaux niveaux. En utilisant les écritures assistées par laser, des fabricants comme Seagate projettent des disques durs de plus de 50 To d’ici 2026 et de plus de 120 To de disques durs après 2030. Ce qui permettra cela, ce sont une multitude d’améliorations à la fois des plateaux et des têtes de lecture/écriture.

L’un des obstacles à la mise en œuvre de l’enregistrement magnétique assisté par chaleur au laser (HAMR) qui devrait permettre une grande partie de ces progrès est de trouver un revêtement protecteur au-dessus du support magnétique capable de supporter ce chauffage fréquent, tout en étant plus mince. que les revêtements actuels, de sorte que la tête peut se déplacer encore plus près de la surface. Selon un article récent de N. Dwivedi et al. publié dans Nature Communications, ce nouveau revêtement protecteur a peut-être été trouvé sous la forme de feuilles de graphène.

Le besoin d’un revêtement protecteur

Vue schématique des structures de support de disque dur (a) Coupe transversale schématique d’un lecteur de disque dur avec support magnétique, revêtement de disque, lubrifiant, hauteur de vol, revêtement de tête, tête. (b) Plateau nu CoCrPt-Oxide. (Crédit : N. Dwivedi et al.)

Peut-être que l’ironie en qualifiant les disques durs de « rouille tournante » est que le processus de corrosion est l’un des principaux ennemis du fonctionnement à long terme de ces appareils. La fine couche magnétique au-dessus du matériau de base d’un plateau se corroderait facilement si elle était exposée à une atmosphère. le cobalt, le Co les alliages CoCrPt, est particulièrement sensible à ce processus. Une fois corrodée, cette partie du plateau serait alors beaucoup moins efficace pour conserver une orientation magnétique. L’un des principaux objectifs de ce revêtement, ou surcouche, est d’empêcher que cela ne se produise.

L’autre utilisation de la surcouche est une mesure de protection contre les dommages mécaniques. Malgré toute la peur des « chocs de tête », le contact mécanique avec le plateau est assez courant, et l’une des utilisations du pardessus est de fournir une protection contre cela, ainsi que de réduire la friction. Ce dernier implique généralement l’utilisation de lubrifiants, ce qui ajoute une autre couche au-dessus de la surcouche. Avec la surcouche, la couche de lubrifiant constitue une partie importante de l’espacement tête-support (HMS), et donc de la distance entre la tête et le support d’enregistrement.

Pour que la densité surfacique (AD) des disques durs continue d’augmenter, il est nécessaire que ce HMS diminue encore plus, ce qui signifie une surcouche plus fine. Aujourd’hui, il s’agit de revêtements à base de carbone (COC), généralement d’une épaisseur comprise entre 2,5 et 3 nm. Pour les futurs supports magnétiques haute densité compatibles avec HAMR, cela signifie que le COC doit remplir les conditions suivantes :

  • Fournit toutes les fonctionnalités avec un revêtement <1 nm
  • Protection totale contre la corrosion
  • Antifriction équivalent aux COC actuels
  • Résistance à l’usure et à l’étirement (élasticité, c’est-à-dire module de Young)
  • Compatibilité des lubrifiants (ex. PFPE).
Image MET dans le plan de CoCrPt-SiO2 couche. (Crédit : I. Kaitsu et al.)

Il est à noter ici que le matériau d’enregistrement magnétique lui-même est également susceptible de changer pendant la transition de PMR (enregistrement magnétique perpendiculaire) à HAMR. Ceci est similaire à ce qui s’est passé lors de la transition de l’enregistrement magnétique linéaire (LMR) au PMR comme détaillé dans cet article par I. Kaitsu et al. à partir de 2005.

Avec le LMR, les plateaux avaient utilisé un revêtement de CoCrPt pour le support magnétique, mais pour le PMR, ce revêtement devait être plus granuleux. La solution ici a été trouvée en ajoutant du SiO2, car ses joints de grains subdivisent soigneusement le CoCrPt en grains magnétiques qui fonctionnent bien avec une tête de lecture/écriture PMR.

Pour les supports magnétiques HAMR, la pile de plateaux change à nouveau, cette fois pour utiliser FePt pour le support d’enregistrement, car cet alliage est généralement stable avec l’utilisation d’un enregistrement thermique. Cela ajoute deux autres exigences au revêtement des plateaux à base de FePt :

  • Thermiquement stable avec les cycles HAMR.
  • Compatible non seulement avec CoCrPt, mais aussi avec FePt.

Un problème persistant avec les variateurs basés sur HAMR est que l’application de chaleur locale dégrade rapidement le COC. Trouver un nouveau matériau de revêtement plus stable thermiquement est primordial pour leur commercialisation ultérieure.

À terme, les films de FePt céderont probablement la place à des supports à motifs binaires (BPM), dans lesquels des îlots magnétiques sont structurés dans la couche d’enregistrement magnétique. Ce serait similaire au CoCrPt-SiO2 grains magnétiques, seulement à une échelle encore plus petite. Idéalement, le même COC <1 nm qui fonctionne avec FePt fonctionnera également avec ces technologies nouvelles et à venir.

Les multiples visages du carbone

Les divers allotropes du carbone. Le graphène est allotrope (b).

Comme son nom l’indique, le COC est lui aussi basé sur des atomes de carbone, tout comme le graphène. Alors, quelle est la différence entre les COC actuels et les nouveaux COC à base de graphène ? La principale différence réside dans la manière dont les atomes de carbone sont liés entre eux, également appelés allotropes du carbone. Dans le graphène, les atomes de carbone sont liés entre eux dans un réseau hexagonal régulier.

Ce réseau régulier fait partie de la raison pour laquelle le graphène est si stable, mais le produire est un défi majeur depuis longtemps. Il n’a été complètement isolé et caractérisé qu’en 2004, lorsque Andre Geim et Konstantin Novoselov de l’Université de Manchester ont utilisé la technique mondialement connue du « scotch tape » pour extraire des couches de graphène du graphite.

Depuis lors, la recherche d’applications commerciales du graphène se poursuit, l’utilisation dans les COC HDD étant l’une des plus récentes. En tant que matériau bidimensionnel stable thermiquement et par ailleurs, il semble plutôt idéal pour toute situation où une couverture complète d’une surface est requise. Même si cette surface est régulièrement sablée par un laser comme dans le cas des disques durs à base de HAMR.

La science vérifie

Comparaison des coefficients de frottement mesurés. (Crédit : N. Dwivedi et al.)

Après N. Dwivedi et al. utilisé le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) pour enduire le support nu avec 1-4 couches de graphène (1-4LG) en utilisant un processus de transfert humide. Ils ont ensuite soumis ces COC au graphène ainsi que les COC commerciaux existants à divers tests, notamment mécaniques (frottement et usure), chauffage au laser et protection contre la corrosion.

Bien que même une seule couche de graphène (1LG) ait réussi à réduire considérablement la corrosion et à présenter de bonnes propriétés de stabilité mécanique, de friction et thermique, il a été constaté que les revêtements à base de >2LG offriraient probablement le plus grand avantage. Non seulement avec les médias CoCrPt-SiO2 existants, mais aussi avec FePt avec HAMR et HAMR plus BPM. Cela signifie essentiellement qu’un COC > 2LG devrait convenir aux disques durs d’aujourd’hui et de demain.

Une autre découverte intéressante est que les COC à base de graphène ne nécessitent pas de lubrification comme le font les COC commerciaux actuels. L’avantage de ceci est que la lubrification PFPE utilisée dans le commerce dans les disques durs n’est pas thermiquement stable lorsqu’elle est utilisée avec HAMR, et donc pouvoir l’omettre en faveur du graphène résistant à la chaleur signifie que deux problèmes sont résolus simplement en utilisant > 2LG au lieu de COC sans graphène.

Ce sont les petites choses

La chose la plus intéressante à propos de cet article est un aperçu de la façon dont le développement de nouvelles technologies est souvent freiné par ce qui semble être de petits détails. Même si un support d’enregistrement magnétique approprié avait déjà été trouvé dans le FePt, et même si l’intégration de lasers à semi-conducteurs dans les têtes de lecture/écriture était déjà un problème plus ou moins résolu, l’absence d’un matériau de revêtement approprié aurait pu faire dérailler tous ces efforts, ou au le moins reporté pendant des années.

Nous ne pouvons pas célébrer et passer des commandes de disques durs HAMR pour le moment, bien sûr. La partie amusante avec la science des matériaux vient après qu’un concept a été démontré en laboratoire et qu’il doit être mis à l’échelle pour une production en série. Il y a une énorme différence entre le CVD du graphène en laboratoire pour produire quelques plateaux pour un test et en produire des milliers et des milliers dans un environnement d’usine automatisé.

Il existe une quantité vertigineuse de façons de produire du graphène à ce stade, ce qui est à la fois une bonne et une mauvaise nouvelle. Toutes les méthodes ne créent pas la même qualité de graphène, et toutes les méthodes ne se prêtent pas à la production en série ou à l’intégration dans le processus de fabrication du disque dur. Déterminer la meilleure façon de tirer les résultats de cet article récent et de le faire fonctionner en usine sera la prochaine étape, qui peut prendre encore de nombreuses années.

Mais comme pour tout ce qui concerne la science, les bonnes choses arrivent à ceux qui sont patients.

(Image de titre : visualisation d’une seule feuille de graphène. Crédit : AlexanderAlUS, CCA-SA 3.0)