Kunststoffe aus der Klasse der Blockcopolymere könnten bald eine kostengünstige Methode darstellen, Festplatten mit deutlich höherer Datendichte herzustellen. Zu diesem Ergebnis kommen Forscher der University of California, Berkeley, und der University of Massachusetts, Amherst. Das Material besteht aus chemisch unterschiedlichen Polymeren, die miteinander verbunden sind. Es kann sich mit Hilfe einer an den beiden Hochschulen entwickelten Methode selbstständig in Felder aus Nanopunkten auf einer Trägeroberfläche anordnen, die dann als Muster für die Schaffung winziger magnetischer Datenbits genutzt werden können.
Bislang hatte es keinen einfachen und schnellen Weg gegeben, die Kunststoffe zur Ausbildung der gewünschten Felder über eine größere Fläche zu bewegen. Die Amherst- und Berkeley-Wissenschaftler haben deshalb nun eine einfache Methode entwickelt, mit der sich ein Quadratzoll eines Substrats mit Blockcopolymeren überziehen lässt. Das äußerst akkurat angeordnete Muster könnte dann als Basis für neuartige Festplatten dienen, die zehn Terabit auf einen Quadratzoll packen, heißt es in einem Ausatz, der vor Kurzem in der Fachzeitschrift "Science" erschienen ist.
Handelsübliche Festplatten schaffen im Vergleich dazu heute nur 200 Gigabit pro Quadratzoll, gerade erschienene 2 Terabyte-Modelle immerhin 400. Bestehende magnetische Speichertechnologien könnten zumindest theoretisch ein Terabit pro Quadratzoll erreichen, doch an die mit Copolymeren mögliche Datendichte käme das noch nicht heran.
Jedes Datenbit auf der Festplatte stellt einen kleinen Bereich eines magnetischen Materials dar, dessen Feld in eine bestimmte Richtung ausgebildet ist. Diese Inseln sind irregulär geformt und sitzen von Kante zu Kante auf der Scheibe. Wächst die Datendichte auf über ein Terabit pro Quadratzoll, müssen diese klitzekleinen Bereiche deutlicher genauer definiert sein und dürfen sich nicht überschneiden, damit sie korrekt ausgelesen werden können. Blockcopolymere könnten dabei helfen, die Größe der magnetischen Datenbits weiter schrumpfen zu lassen, da sie ein konkretes Muster vorgeben.
Festplattenhersteller wie Hitachi Global Storage aus dem kalifornischen San Jose arbeiten mit Materialien, bei denen ein Polymer sich in Form paralleler Zylinder zueinander ausrichtet. Die Zylinder, die aus der Oberfläche herausragen, könnten dann weggeätzt und die Löcher dann mit magnetischem Material gefüllt werden. Jeder dieser kleinen Punkte magnetischen Materials wäre dann ein Datenbit.
Das Problem dabei ist allerdings, dass sich die Zylinder nicht geradlinig ausrichten, erläutert Ting Xu, Professorin für Materialwissenschaften in Berkeley, die zu den Autoren der neuen Studie gehört. "Sie orientieren sich zufällig mit Bezug zur Oberfläche aus." Damit komme dann wiederum der Lesekopf nicht klar. "Der kann dann nicht herausfinden, wo die gewünschten Datenbits liegen."
Um die Polymere dazu zu bewegen, sich strukturierter auszurichten, verwendeten Forscher bislang unter anderem Lithographieverfahren, um die Oberfläche entsprechend zu mustern, bevor die Blockcopolymere aufgebracht wurden. Im Nanobereich funktioniert das allerdings nur mit einer zeitraubenden Technik – der Elektronenstrahl-Lithographie. "Um den Quadratzoll-Bereich abzudecken, den wir mit unserer Technik erreicht haben, würde das damit einige Monate dauern", sagt Thomas Russell, Professor für Polymerwissenschaften und Pionier der Blockcopolymer-Technik in Amherst, der die Untersuchung zusammen mit Xu leitete.
Statt einer vorgemusterten Oberfläche nutzten die Forscher deshalb einen Saphirkristall als Substrat. Wird dieser in einem bestimmten Winkel geschnitten und auf 1300 Grad Celsius erhitzt, bildet seine Oberfläche eine Reihe von sägezahnartigen Bergen und Tälern. Das Polymer verwendet diese Kanten als Führungslinie, um sich automatisch in gleichförmigen Feldern anzuordnen – und zwar aufrecht. "Wir bekommen die notwendige Musterung kostenlos dazu."
Jeder Zylinder ist nur drei Nanometer breit. Wenn jeder davon zur Datenbitaufnahme dienen würde, könnten so 10 Terabit pro Quadratzoll erreicht werden. Durch die Veränderung der Temperatur bei der Erhitzung des Kristalls können die Forscher Winkel und Höhe des Sägezahnmusters bestimmen, was die Anordnung der Zylinder wiederum verändert. Xu meint, dass der Prozess wahrscheinlich auch mit einfachen Siliziumkristallen funktionieren könnte. Das will sie demnächst ausprobieren.
"Das scheint mir eine ziemlich billige Methode zu sein, das Ziel zu erreichen", meint Glenn Fredrickson, Professor für Chemieingenieurwesen an der University of California, Santa Barbara. "Man schneidet das Saphirsubstrat auf eine bestimmte Art, erhitzt es und kann schon loslegen." Forscher an seiner Hochschule arbeiten derzeit an einer weiteren Technik, bei der zunächst mikrometerbreite Gräben auf der Oberfläche mittels herkömmlicher Lithographie erstellt werden, die auch in der Chipherstellung verwendet wird. Das Blockcopolymer richtet sich dann auch hier entlang der Kanten der Gräben aus.
Caroline Ross, Professorin für Materialwissenschaften am MIT, gibt allerdings zu bedenken, dass die korrekte Formung der Blockcopolymeren nur der erste Schritt hin zur 10 Terabit-pro-Quadratzoll-Festplatte ist. Danach muss noch erforscht werden, wie man die klitzekleinen Datenbits im Nanobereich überhaupt aufbringen sowie später auslesen und beschreiben kann. Das Polymer sei nur das Gerüst. "Aus diesem Muster dann ein magnetisches Material zu machen, auf dem man tatsächlich auch Daten mit dieser enormen Dichte ablegen kann, wird keineswegs trivial."
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