Memória: - elektromos - mágneses -optikai -MEMS ELEKTRONIKAI TECHNOLÓGIA 5. Fotonikai elemek és technológiák 5/3 Memória: - elektromos - mágneses -optikai -MEMS

Jel (információ) jel (tárolt) jel (információ) Jel (információ) : elektromos impulzus, elektromágneses hullám, (fény!), mágneses tér, részecske, hő, vegyi hatás(tinta?), mechanikai erő. Jel (tárolt): lokalizált elektronok (elektromos tér, domének, polarizáció), hibák (vakanciák), mágneses domének , tőrésmutató, elnyelés, visszaverés, polarizáció, mechanikai deformáció Írás, tárolás, leolvasás (tőrlés?) Paraméterek: energia/jel,bit, cm2,.. sebesség (jel/s) (az írásnál és a leolvasásnál, hozzáférhetőség) sűrűség (jel/S) stabilitás vagy reverzibilitás, időállandó ár/jel !!!!

memóriák Hierarchia: 1,-2-,3-szint, off-line Karakterisztika: illékonyság, differenciálhatóság, hozzáférhetőség, címzés, kapacitás Teljesítmény Technológia: Félvezető Mágneses, Optikai, Papír más

Technológia: lehetőleg az ismert mikroelektronikai !!!! Főbb típusok: - elektromos : RAM, ROM, EEPROM, Flash…. Tranzisztor! - mágneses: HDD, MD, magnetooptikai,…..Mágneses domén - optikai : CD, CD-DVD R, RW…text.. Optikai változások - mechanikai : számológép, MEMS, AFM,… Deformáció + más kombinációk, a kökorszaktól a mai napokig……. Technológia: lehetőleg az ismert mikroelektronikai !!!!

Tárolási kapacitások fejlődése-integrált elektronika

Elektromos: DRAM- dynamic random access memory, SRAM-static RAM CMOS-complementary MOS (p-MOS and n-MOS pair) ROM, PROM , EEPROM, FLASH

Mágneses: Ferromágnesesség: Az atomi mágneses momentumok A doménok térbeli képződése a rendszer összenergiáját minimalizálja A Bloch-falban a mágnesezettségi irány megváltozása sok dipóluson elosztva valósul meg dBW(Co)  60 nm (kb. 200 atomsík) Ferromágnesesség: Az atomi mágneses momentumok a Weiss-féle doméneken belül maguktól párhuzamosra állnak be A mágneses momentumok párhuzamos irányba, ellentétes irányba állása

HDD

Buborék memória

OPTIKAI Az információ ~80 % az optikai csatornán jut át hozzánk Az információt valós időléptékben feldolgozhatjuk vagy tároljuk és későbben dolgozzuk fel, alkalmazzuk Tárolás: analóg és digitális képek IC mikroelektronika fényképezés ~ holográfia CD, DVD optoelektronika Általános probléma: többet, gyorsabban, biztonságosabban és olcsóbban és láthatóan…..

Idő Ár Elsődleges tárolás Másodlagos tárolás

elektronok mozgása atomok mozgása elektrofotográfia Ag-Hal fázisátalakulások (a-Se, a-Si:H, ZnO, szerves) (VO2 , SmS, polimerek) fotókrom (KCL, üvegek) szerkezeti változások fotórefrakció effektus (a – a, a – k, k - a, sűrűség) (LiNbO3 : Fe+³, Sn2P2S6) (AsSe, Ge-Te-Sb, ChG) magnetooptikai effektus diffuzió, összetétel változása (MnBi, CrTe, Y3Fe2O12 ) (Ag-As2S3, Se/As2S3 MLS )

Mit észlelünk? Az optikai jellemzők változását  (abszorpció), R (visszaverődés), n (refrakció), P (polarizáció) d (méret) [ amplitúdó] vagy [amplitúdó-fázis ] optikai írás Választhatunk: egy- vagy többlépcsős folyamat - egy lépcső, valós idő

Az emberi szem Érzékenység: 10-8 – 104 W/m2 = 400 – 700 nm

sűrűség ( max. ~100 Mbit/cm² ) érzékenység ( 1 J/cm², 1 nJ /bit ), hullámhossz-tartomány (1 - 2 ) moduláció (0 ~10-100, R/R0  5, n ~0.1-0.001, d ~200 nm) ismételhetőség (  1 millió átírás) de…!!! Stabilitás (több évtized is!) - Gyorsaság (adattovábbítás) ( 10 – 100 MHz……)

Optikai relief (kép) Amplitúdó moduláció Fázis moduláció Fázis moduláció (méret)

Optikai írás (memória): folyamatok FOTOKÉMIA: klasszikus fotográfia, litográfia (fejlett technológia, kiváló érzékenység, de : nedves folyamatok, kétlépcsős eljárás, nem stabil…) FOTÓFIZIKA: elektrofotográfia, DVD, CD (kompatíbilis a többi mikroelektronikai eszközzel, nagy a sűrűség, stabilitás, másolhatóság…)

Fotokémiai folyamatok A fény (hullám, kvantum) hatására kémiai folyamatok indulnak be az anyagban : -fotoszintézis oxidálás-redukció (donor-akceptor komplexumok átalakulása) polimerizáció Ag-Hal. anyagokban az ezüst kiválása ( klasszikus fotográfia) A képet általában egy külön folyamatban előhívják Figyelem: alapjában itt is a fizikai folyamatok (elektronok gerjesztése, kötések átalakulása) határozzák meg a folyamatokat

Ag-Hal fotográfia (az ezüst szemcsék képződése) Ag-szemcsék + zselatin, exponálás előtt Ag-szemcsék előhívás után AgBr ionok felbomlása a fény hatására (1 !!), Ag+ és J-. Neutrális Ag, kristályok növekedése (+ előhívó= erősítés! 106) Bitek max. sűrűsége: nmax1/ 4r2, r- a mag sugara

Fotokémia Fotó-oxidáció, polimerizáció,… Reoxán oxidációja Stilben modifikálása

Fotokémia fotófizika Különböző Corning-típusú fotokróm üvegek sötétedése és kivilágosodása. Mechanizmus: 50-200 nm Ag kristályok növekedése és lebomlása, halogének részvételével

A fotókróm üvegek sötétedése Lassú folyamat E= 1.0 J/cm² Kvantum hatásfok < 1

Fotokémia fotófizika Bakteriarodopszin- egy unikális szerves fényérzékeny anyag Technológiája: áttetsző üveg hordozón vastag rétegeket alakítanak ki BR+zselatin mátrix keverékből 10-7 - 10 s !

Fotofizika: A fény (hullám, kvantum) hatására fizikai folyamatok indulnak be az anyagban : -elektronok gerjesztése elektron-fonon kölcsönhatás, melegítés Fázisátalakulások A képet általában nem kell előhívni, illetve lehet, különböző reliefek előállítása céljából

Jelenség: spin-foton kölcsönhatás, FOTOMÁGNESES ANYAGOK PÉLDÁJA Jelenség: spin-foton kölcsönhatás, a fény polarizációs síkjának a forgatása =V.B.l (V- Verdet - állandó) Írás: a Hmax csökken, mivel a fókuszált lézersugár melegíti a réteget MnBi: T=360 C Gd3Fe2O12 réteg: +T=3 C, Q1 mJ /cm²

Fázisátalakulások példája Védő VO2 Tükör Hordozó Érzékenység 0.3 J/cm² Reverzibilis! (RW CD)

Fotófizikai folyamatok: egyszerű hőhatások Q=c m T + m, egy nagyon egyszerű modellben, hő-veszteség nélkül , kiszámítható az egy bit írásához szükséges energia Abláció: kiégetünk, elpárologtatunk egy-egy pontot DE: el kell gondolkodni a felbontásról, az írás sebességéről, a zajokról, a stabilitásról!

Fotófizikai folyamatok: a sokoldalú kalkogenidek példája 1. 2. 1,2/s 3. ChG 1 ChG 2 ChG, 1,2? NML Rec. Rec. Rec. Rec. Read Read Read Read Erase, thermo Erase Erase ? Erase ? 4. Etching, Copy Embossing

Chalcogenide glasses for optical recording: As-based : As2S3, AsSe,… Ge-based : GeS, GeSe, Ge2Se3, … pure or doped Se, SexTe1-x, , … multicomponent materials: Ge-Sb-Te, … Main parameters: spectral range, changes of α, n, R, d !? spatial resolution ! (μm nm) reversibility – stability recording in a real time scale As – Se system is the simplest, model one !

------- VIII ------- ------- 8 ------- Kalkogenidek- S,Se, Te-tartalmú anyagok (minket az amorf kalkogenidek érdekelnek) Periódus Csoport**           1 IA 1A 18 VIIIA 8A 1 1 H 1.008 2 IIA 2A 13 IIIA 3A 14 IVA 4A 15 VA 5A 16 VIA 6A 17 VIIA 7A 2 He 4.003 2 3 Li 6.941 4 Be 9.012 5 B 10.81 6 C 12.01 7 N 14.01 8 O 16.00 9 F 19.00 10 Ne 20.18 3 11 Na 22.99 12 Mg 24.31 3 IIIB 3B 4 IVB 4B 5 VB 5B 6 VIB 6B 7 VIIB 7B 8 9 10 11 IB 1B 12 IIB 2B 13 Al 26.98 14 Si 28.09 15 P 30.97 16 S 32.07 17 Cl 35.45 18 Ar 39.95 ------- VIII ------- ------- 8 ------- 4 19 K 39.10 20 Ca 40.08 21 Sc 44.96 22 Ti 47.88 23 V 50.94 24 Cr 52.00 25 Mn 54.94 26 Fe 55.85 27 Co 58.47 28 Ni 58.69 29 Cu 63.55 30 Zn 65.39 31 Ga 69.72 32 Ge 72.59 33 As 74.92 34 Se 78.96 35 Br 79.90 36 Kr 83.80 5 37 Rb 85.47 38 Sr 87.62 39 Y 88.91 40 Zr 91.22 41 Nb 92.91 42 Mo 95.94 43 Tc (98) 44 Ru 101.1 45 Rh 102.9 46 Pd 106.4 47 Ag 107.9 48 Cd 112.4 49 In 114.8 50 Sn 118.7 51 Sb 121.8 52 Te 127.6 53 I 126.9 54 Xe 131.3 6 55 Cs 132.9 56 Ba 137.3 57 La* 138.9 72 Hf 178.5 73 Ta 180.9 74 W 183.9 75 Re 186.2 76 Os 190.2 77 Ir 190.2 78 Pt 195.1 79 Au 197.0 80 Hg 200.5 81 Tl 204.4 82 Pb 207.2 83 Bi 209.0 84 Po (210) 85 At (210) 86 Rn (222) 7 87 Fr (223) 88 Ra (226) 89 Ac~ (227) 104 Rf (257) 105 Db (260) 106 Sg (263) 107 Bh (262) 108 Hs (265) 109 Mt (266) 110 --- () 111 --- () 112 --- () 114 --- () 116 --- () 118 --- () Lantanidok* 58 Ce 140.1 59 Pr 140.9 60 Nd 144.2 61 Pm (147) 62 Sm 150.4 63 Eu 152.0 64 Gd 157.3 65 Tb 158.9 66 Dy 162.5 67 Ho 164.9 68 Er 167.3 69 Tm 168.9 70 Yb 173.0 71 Lu 175.0 Actinidok~ 90 Th 232.0 91 Pa (231) 92 U (238) 93 Np (237) 94 Pu (242) 95 Am (243) 96 Cm (247) 97 Bk (247) 98 Cf (249) 99 Es (254) 100 Fm (253) 101 Md (256) 102 No (254) 103 Lr (257)  

Fénymásolás Fotovezető anyag: a-Se, ZnO, AsSe, CdS, a-Si:H, Szerves anyagok Lényeg: egy fotovezető, de magasellenállású anyag, amelyet korona-kisüléssel töltenek fel , elektrosztatikus képeket alkotnak a jelek megvilágíítása alapján ( elektrostatikus relief a felületen), majd festő porral hívják elő. A port átviszik egy papir lapra amelyet majd fixálnak (melegítéssel rátapasztják a papirra).

töltés exponálás előhívás fázismoduláció olvasás Fotofizikai folyamatok: felületi domborzatok fototermoplasztokban töltés exponálás előhívás fázismoduláció olvasás Fázis-moduláció, holográfia Anyagok: Egy réteg (polyvinilkarbazol ), vagy heterostruktúra, injekciós réteggel ( polyvinilkarbazol + CdS, As2Se3, STe,…) Felbontás  1000 1/mm, érzékenység 108 cm²/J ha 1% DE (max. diffrakciós hatásfok DE  20% , felületi visszaverődési mód) Alkalmazás: interferometria, adatrögzítés

Fotofizikai folyamatok: elektronállapotok és szerkezeti változások A szerkezet változásával változik az elektronok spektruma, és ez már látható az optikai elnyelés változásában

Optikai írás amorf szerkezetben

Fotofizikai folyamatok: alkalmazások sokszorosításban Kétlépcsős folyamat: (szelektív maratás NaOH, vagy más oldatokban, illetve plazmával ) Írás– szelektív maratás –felületi domborzat Írás (Ag -diffúzió)- maratás - domborzat Mold gyártása – (Ni) – másolás (rácsok, CD, vagy akár kis sorozat névjegy, stb.) Mátrix (mold) másolás Fém (Ni) Eredeti írás

CD szerkezete és gyártása Az optikai adatrögzítés és leolvasás fejlődésében mérföldkövet jelentett a Philips és Sony által kidolgozott Compact Disc Digital Audio (CD-DA) szabvány. Ez a mai napig minden CD formátum alapja. 1980-ban elkezdődött a hangtechnika digitalizálódása. A szabványosított optikai adattároló lemezek családfája több mint 30 féle CD formátumot jelent. A szórakoztató elektronikai piacon a kompakt lemezek (CD-DA gyakran CD-A-nak nevezik) terjedtek el. Ezek 120 mm átmérőjű és 1,2 mm vastagságú, áttetsző makrolon (polikarbonát) műanyagból fröccsöntéssel készült korongok. A CD-DA kiszorította a hangtechnikából a mikrobarázdás lemezeket, amelyeket hasonlóképpen „préselték”.

anyaga= polikarbonát: Létezik mini-változat is, 80 mm szélessége = 33 mm anyaga= polikarbonát: - kitűnő a fényáteresztő képessége, - nem öregszik. vastagság=1,2 mm Létezik mini-változat is, 80 mm

A CD-DA szerkezete a CD lemez címke oldala tükröző réteg Al d=0,1 μm a címke felöl pit (gödör) míg az olvasási irányból dudor (bump) védőlakk (akril) réteg d= 5…10 μm land míg az olvasás felöl pit 0,11 μm 1,2 mm 15 mm v 0,5 μm polikarbonát korong átmérő=120 mm (4.8 inch) 1,2 m/s kerületi sebesség olvasó lézersugár hullámhossz = 780 nm A bump-ok belülről kifelé haladó archimedesi spirál alakú nyomvonal (track) mentén helyezkednek el (a spirál hosszúsága > 5 km). (kisméretű félvezető lézerdióda) A CD-DA rögzíthető 74 perc hosszúságú 44,1 kHz x 16 bit felbontású sztereó zene.

fényvisszaverő réteg (Al) gödrö(pit-ek) 1,6 µm bump-ok A bump-ok szélessége 0,5 μm; hosszúsága min. 0,833 μm; vastagsága 0,11 μm ; menetemelkedése: 1,6 μm. A 74 perc hosszúságú zenei CD lemez kapacitása : 44.100 minta/csatorna/sec x 2 bit/minta x 2 csatorna x 74x60 sec = 783.216.000 bit A normál CD-DA adatátviteli sebessége = 4,3219 Mbit/s (a 4x CD meghajtók adatátviteli sebessége 4,8 Mbit/s).

CD olvasófej felépítésének vázlata: Működés közben a lézerfény, áthaladva a tükörprizmán, fényereje a felére csökken. A CD-ről visszaverődő sugár fényereje szintén a felére csökken és az már nem elegendő az Al tükörfelületen való átjutáshoz. A kiinduláshoz képest csak negyedakkora fényerejű lézerfény jut a fotódetektorra. Léteznek más elrendezések is, egészen az integrált optikai eszközökig fényerő

A CD lemezeken az információ a spirális nyomvonal mentén különböző hosszúságú domborulatok (bump-ok) és sík részek sorozata. A kétféle felületről a lézersugár különböző intenzitással verődik vissza. Az intenzitás különbség megfelelő digitalizálás után fogja megadni a bináris 0 vagy 1 értéket. A CD-re az információt meghatározott kódrendszerben viszik fel. Nyomvonal közepe Az információ leolvasásához a lézerdióda egyetlen sugárnyalábjából előállított három lézersugarat használják. A spirális alakú nyomvonal ( a bump-ok) közepére fókuszált lézersugártól balra és jobbra egy-egy segéd lézersugár is található. Ha az olvasófej nyomvonal-követése helyes, akkor a hat-nyolc fotodiódából álló olvasófej az oldalsugarak jeleit egyformának érzékeli. Ha nem, a rendszer működteti a nyomvonaltartó szervorendszert. bump 1,6 µm

Lemez helye Mozgató egységek Leolvasó Lemez-meghajtó Lézer-lencse A CD meghajtó felépítése: A lézerdióda és a fotódetektor elektronikája egy kocsin (laser pickup) helyezkedik el, a szükséges optikával és fókuszáló szervomechanikával együtt. Ezt a kocsit egy sávkövető szervomechanika mozgatja lineárisan a lemez középpontjától kifelé, sugárirányban a lemez síkjával párhuzamosan. Lemez helye Mozgató egységek Leolvasó Lemez-meghajtó Lézer-lencse Szervo-motor

A CD-ROM gyártástechnológiája: 1. Premastering: a CD-ROM-on tárolandó információt feldolgozzák a mesterlemez által megkövetelt formátumban, digitális adathordozón (pl. CD-R lemezen) . 2. Mastering: üveglemezen a szubmikronos struktúra kialakítása (az üveglemezre felvitt fényérzékeny rétegen lézernyalábbal felírják a jeleket és maratással kialakítják a pit-eket,). 3. Electroforming: több lépéses galvanizálással előállítják Ni rétegből a nyomólemezt. 4. Préselés : a fröcssöntött 1,2 mm vastagságú polikarbonát korong egyik oldalán előállítják a mintázatot (bump-okat). 5. Reflektáló réteg (pl. Al) gőzölése majd ezt követően akril védőréteg felvitele és kikeményítése a korongon. 6. Feliratozás (pl. szitanyomtatás) és csomagolás.

Újraírható (RW) lemezek hőmérséklet visszaverődés Író impulzus Az írott jelek kialakulása Írás-törlés-írás folyamat vázlata

Újraírható, DVD lemez: hibák, törlés, stabilitás -Al-SiO2-ZnS-SiO2-GeTe-Sb2Te3-Sb-ZnS-SiO2— R=18-30%, R=0,6 , P=7-17 mW, r0,7 m, S26 MB/s polimer LÉZER Ohta T., JOAM, v.3, p.609(2001)

UV kötésű védőlakk v= 3..5μm A CD-R rétegszerkezete és írása: 1,6 μm címke réteg v= 30 μm UV kötésű védőlakk v= 3..5μm Au tükröző réteg v=50 nm kristályos infor. réteg v= 100-300 nm 0,11μm barázda (groove) amorf rész 0,6 μm 1,2 mm (~250 °C-on alakul ki). polikarbonát hordozó A lézerfény hő hatására az információ tároló kristályos szerves réteganyag amorffá válik. Az amorffá vált rész a kristályossal ellentétben rosszul veri vissza a fényt. lézer dióda: - olvasás: 1mW, - írás: 15..40 mW. + fáziseltolás

Lemez részének szerkezeti vázlata

Napjainkban legelterjedtebben az egyoldalas, egyrétegű 4,7 GByte kapacitású lemezeket használják. A DVD lemez két darab 0,6 mm vastagságú összeragasztott korong. Így az adattároló réteg(ek) a lemez közepén helyezkednek el. A DVD lemezek választéka: 8 óra CD minőségű zene a kapacitása a DVD filmek többsége (az alsó inf. tároló réteg félig áteresztő) 8 órás filmanyag (lejátszáskor a lemezt fordítani kell)

Holografikus CD Az ilyen lemezen egy „pont” egy oldal információt tartalmaz, amelyet úgy olvasunk le, mint egy hologramot

Phase-change random acces memory (Ovonix Unified Memory)

Hologramok: optikai alapok Két sík hullám interferenciója: IR(x)= 2I(1+cos kx2 ) 

Hologram

Hologram: diffrakciós hatásfok 1

Hologramok írása: sík hullám mért Írás sík hullámokkal számított Fény diffrakciója a huzalon: fénykép és intenzitás-eloszlás

Hologramok írása: fókuszált fény Fourier-transzformáció:

Fourier-transzformáció

Optikai korrelátor

Neurális hálózatok kialakítása

3D hologramok Denisjuk-féle hologram: művészeti alkotások másolása, teljes térhatás

3D hologram Multiplexelés

Felületi sűrűség / adatközvetítés sebessége