Japanse onderzoekers baarden rond 1977 internationaal opzien met het concept van loodrechte magnetische recording, een techniek waarbij de richting waarin informatie magnetisch wordt weggeschreven loodrecht staat op de looprichting van het medium. In combinatie met de toepassing van dunne film media levert dat een veel grotere 'bitdichtheid' op dan bij gewone of longitudinale recording, doordat de 'bits' (magnetische eenheden) kleiner zijn. Twentse onderzoekers stortten zich eind jaren zeventig als tweede onderszoeksgroep ter wereld op dit veelbelovende vakgebied.
Hoewel loodrechte recording nog steeds niet commercieel toepasbaar is, heeft de techniek al wel invloed gehad, ook op de longitudinale recording. Zo heeft de gevestigde industrie voor magnetische recording de overstap gemaakt van deeltjesmedia (losse metaaldeeltjes, zoals bij het chroomdioxide cassettebandje) naar dunne film media. Bij de fabrikage van hard disks wordt tegenwoordig standaard met dunnelagen (veelal kobalt-chroom-legeringen) gewerkt om optimale bitdichtheid te realiseren.
Tiental
Dr. Cock Lodder (56), universitair hoofddocent bij de vakgroep Transductietechniek en Materiaalkunde (EL), weet er alles van. Hij is sinds eind jaren zeventig verbonden met onderzoek aan de UT naar loodrechte recording. Samen met rector prof.dr. Theo Popma is hij onderzoekleider van de Information Storage Technology Group (IST) van MESA. Lodder begeleidde inmiddels een tiental promovendi. Vorige week promoveerde hij zelf, bij Popma, op een proefschrift over aspecten van hoge bitdichtheids recording.
Volgens Lodder is de Twentse IST-groep een van de belangrijkste universitaire groepen ter wereld op het gebied van magnetische en magneto-optische recording. Behalve met Philips NatLab zijn er intensieve contacten met Japan: Fuji Electric (Nagano), Tohoku University (Sendai) en NTT Basic Research Laboratory (Atsugi) waar Lodder in 1992 drie maanden onderzoek deed aan eigen samples. De UT-groep speelt voorts een leidende rol in het Europese CAMST-programma (Concerted Action on Magnetic Storage Technology, onderdeel van Brite-EuRam). Lodder is voorzitter van deze club.
Een ingenieursopleiding heeft de jonge doctor overigens nooit gevolgd. Hij werd als wetenschapper gevormd in de praktijk. Hij volgde in de jaren vijftig lager technisch onderwijs (elektrotechniek), voorbereidend middelbaar technisch onderwijs en de luchtvaart technische school. In 1964 kwam hij als technicus naar de toenmalige THT. Gaandeweg raakte Lodder vervolgens bij het wetenschappelijk onderzoek betrokken. 'Het lag aan het tijdsgewricht dat zo'n academische carrière mogelijk was. Tegenwoordig zou het ondenkbaar zijn', zegt Lodder. Hij wil 't echter niet mooier maken dan 't is. 'Ik had liever de gewone weg bewandeld', verzekert hij.
Hart
Voor zijn promotie onderzocht Lodder de factoren die de maximale bitdichtheid bepalen bij magnetische recording in gesputterde dunnelagen van speciale kobalt-chroom-legeringen (20-50 nanometer dik, duizend keer dunnerdan een haar). Lodder koos voor fundamenteel materiaalkundig onderzoek omdat het recording medium het 'hart' van het recording systeem vormt. 'Vijftig procent van de vooruitgang bij een recording systeem wordt bepaald door de bitdichtheid van het medium.' Hoewel hij zich bij zijn onderzoek zich met name richtte op hard disk-geheugens, kan de opgedane kennis ook van belang blijken voor audio- en video-recording.
De magnetische eigenschappen (bitdichtheid) van dunnelagen blijken sterk af te hangen van hun microstructuur: de grootte van de kristalletjes die de fundamentele bouwstenen van de dunnelaag vormen, de voorkeursoriëntatie van die kristallen en de chemische eigenschappen van de laag. Die microstructuur wordt weer bepaald door de depositietechniek (de manier van sputteren/opdampen van de laag en de temperatuur waarbij dat gebeurt).
Voor zijn onderzoek sleutelde Lodder bij MESA en in Japanse laboratoria aan dunnelagen. Hij gebruikte bij het onderzoek naar de microstructuur van die lagen een scala van technieken, onder meer electronen-microscopie en röntgen-diffractie. Macroscopische magnetische eigenschappen bepaalde hij met hysterese- en koppelmetingen. Magnetische eenheden (domeinen of kristallen) en geschreven bits bestudeerde hij met onder meer magneto-optische Kerr-microscopie en magnetic force microscopie.
Ruis
Om grotere bitdichtheden te bereiken moet de microstructuur van dunnelagen veranderd worden met behulp van geavanceerde nanotechnologie. Een probleem daarbij is het optreden van ruis (magnetische informatie die naast het spoor terecht komt). Hoe groter de bitdichtheid, hoe kleiner immers de bits, en hoe meer de bitgrootte die van de magnetische eenheden (kristallen) benadert. Om ruis te beperken moet elke bit uit een minimum aantal kristalletjes bestaan. Voor een redelijk signaal-ruis verhouding ligt dat aantal op ongeveer honderd. Om dat minimum aantal per bit te behouden moeten bij grotere bitdichtheid de kristallen dus kleiner zijn.
Bij het maken van zulke kleine kristalletjes is goed begrip van de wisselwerking tussen de depositietechniek, de microstructuur van het materiaal en de resulterende macro- en micromagnetische eigenschappen (op nanoniveau) essentieel. Daarop concentreerde Lodder zich in zijn onderzoek. 'Overigens is het de vraag of bij hoge bitdichtheden macroscopische magnetische eigenschappen wel iets zeggen over magnetisch gedrag op microniveau.'
Lodder experimenteerde met dunne films waarbij zo klein mogelijke magnetische eenheden samengaan met ruisvrije recording-capaciteit. 'Bij hoge bitdichtheden mogen de magnetische eenheden in de laag geen magnetisch contact hebben met hun buren. Ik heb de kristalletjes daarom enerzijds gescheiden door speciale depositietechnieken, en anderzijds geprobeerd de chemische eigenschappen van de kristalgrenzen te beïnvloeden door er een niet-magnetisch laagje kobalt-chroom-tantalium tussen te stoppen.'
Vervolgens ontwikkelde Lodder nog een vernuftiger methode: hij maakte een samengesteld kristal van zowel magnetisch als niet-magnetisch materiaal. 'Door substructuren in het kristal aan te brengen hoef je niet steeds kleinere kristallen te maken bij het verkleinen van de bits.' Wel hebben deze samengestelde kristallen afwijkende magnetische eigenschappen door 'chemische inhomogeniteit', wat nog problemen oplevert met de signaal-ruis verhouding. Deze inhomogeniteit wist Lodder vast te stellen met behulp van speciale nucleaire magnetische resonantie metingen (NMR).
Lodder ontwikkelde diverse meet- en analysemethoden op microniveau die van nut zijn bij streven naar hogere bitdichtheid (zoals 'rotational hysteresis metingen'). 'Er is een wisselwerking tussen de ontwikkeling van geavanceerde meet- en analysemethoden en die van dito materialen. Nieuwe meetmethoden bieden ons informatie hoe we materiaalkundig verder moeten. De twee gaan hand in hand, en dat maakt het onderzoek tijdrovend en kostbaar.'
Commercieel
Zijn onderzoek heeft Lodder overtuigd van de grote potentiële bitdichtheid van loodrechte recording. Zijn waarnemingen met de 'magnetic force microscoop' toonden in een dunnelaag van kobalt-chroom-tantalium een experimentele bitdichtheid aan van ruim 13 Gigabit per square inch. Dat betekent overigens nog niet dat loodrechte recording snel zal leiden tot een commercieel produkt, zegt Lodder. 'Je kunt een fancy systeem bedenken, maar het moet ook technisch gerealiseerd worden en economisch haalbaar zijn. Maar ik geloof er persoonlijk nog steeds heel sterk in', aldus Lodder.
Hij beklemtoont dat voor recording systemen meer nodig is dan alleen een recording medium: een kop om te schrijven, te lezen en te wissen, een signaalverwerkingssysteem en een fijnmechaniek voor de arm, want die bepaalt voor een flink deel de detectiesnelheid en daarmee de toegangssnelheid van het systeem. 'Ik verwacht in die zin veel van de micromechanica en de microsysteemtechnologie bij down-sizing van recording systemen.'
De ontwikkelingen gaan door, zegt Lodder, want magnetische recording is van groot maatschappelijk en economisch belang. De omzet beloopt wereldwijd meer dan 80 miljard dollar (1993), en dat terwijl op dit moment nog maar 5 procent van alle informatie via magnetische recording wordt vastgelegd (de rest staat als vanouds op papier). Het belang van magnetische recording zal slechts toenemen door de opmars van de informatietechnologie: PC's, beeld- en geluidsdragers, multimedia, 'elektronische snelweg'.
Interesse
De prangende vraag is natuurlijk wat de kleinste inschrijfbare bits zijn die nog ruisvrij gelezen kunnen worden. Lodder: 'Tja, die ultieme bitdichtheid is mijn grote interesse. Momenteel ligt de grens voor de industrie op zo'n 4 Gigabit per square inch. Je kunt daarmee de dikke Van Dale wegschrijven op 2 vierkante centimeter. Over vijf jaar zullen we nog maar de helft van die ruimte nodig hebben.' Daarbij blijft het niet: 'Theoretisch ligt de limiet voor loodrechte magnetische recording ergens boven de 100 Gigabit per square inch. Je kunt dan de 27-delige Winkler Prins, inclusief alle plaatjes, op een paar vierkante millimeter opslaan.'
