Page 154 - Spin Transport and Spintronics

6.1 การพัฒนาหัวอ่านข้อมูลในอนาคต 156

tunneling junction หรือ MTJ) ที่ประกอบด้วยชั้นวัสดุ Fe/Ge/Co ซึ่งมีค่าอัตราส่วน MR ร้อยละ 14

ที่อุณหภูมิ 4.2 เคลวิน แต่ยังไม่ได้มีการนำมาประยุกต์ใช้งานเนื่องจากค่าอัตราส่วน MR ที่ต่ำ ต่อมาในปี
ค. ศ. 1988 กลุ่มวิจัยของ P. Grunberg และ A. Fert ได้ค้นพบปรากฏการณ์ค่าความต้านทานทางแม่

เหล็กขนาดใหญ่ในโครงสร้างวัสดุสามชั้น Fe/Cr/Fe และโครงสร้างวัสดุหลายชั้น [Fe/Cr]n โดยพบว่า

โครงสร้างวัสดุดังกล่าวมีค่าอัตราส่วน MR ร้อยละ 50 ที่อุณหภูมิ 4.2 เคลวิน การค้นพบปรากฏการณ์
GMR ทำให้เกิดการศึกษาปรากฏการณ์ค่าความต้านทานเชิงแม่เหล็กในโครงสร้างวัสดุแม่เหล็กหลาย

ชั้นอย่างกว้างขวางทฤษฎีและการทดลอง โดยเฉพาะอย่างยิ่งการศึกษาชนิดของวัสดุแม่เหล็กที่เหมาะ

สมที่ให้ได้ค่าอัตราส่วน MR ที่สูงขึ้นและสามารถนำไปประยุกต์ใช้เป็นเซนเซอร์หัวอ่านข้อมูลได้ โดย
ในปี ค. ศ. 1991 S.S.P Parkin และคณะ ได้ทำการศึกษาการเกิดอัตราส่วน MR ในโครงสร้างวัสดุ

[Co/Cu] 60 ซึ่งมีค่าสูงถึงร้อยละ 65 ที่อุณหภูมิห้อง และจากนั้นในปี ค. ศ. 1996 ได้มีการนำโครงสร้าง

วัสดุแม่เหล็กมาประยุกต์ใช้กับเซนเซอร์หัวอ่านข้อมูลแบบ CIP-GMR

การเพิ่มค่าความจุข้อมูลหรือความหนาแน่นเชิงพื้นที่ของหน่วยความจำเชิงแม่เหล็ก โดยการลด
ขนาดของบิตข้อมูล หัวเขียนและหัวอ่านข้อมูล นำไปสู่ข้อจำกัดของหัวอ่านข้อมูลแบบ GMR ซึ่งแม้ว่า

จะมีค่าความต้านทานเชิงพื้นที่ต่ำแต่ก็ให้ค่าอัตราส่วน MR ที่ค่อนข้างต่ำ และทำให้หัวอ่านข้อมูลมี

ประสิทธิภาพในการจำแนกสัญญาณบิต 1 และ 0 ไม่ดีเพียงพอ ต่อมาในปี ค. ศ. 2004 D. Wang และ
คณะได้ศึกษาปรากฏการณ์ความต้านทานเชิงแม่เหล็ก TMR ในโครงสร้างวัสดุ CoFeB/Al 2O 3 /CoFeB

ที่มีค่าอัตราส่วน MR อยู่ที่ร้อยละ 70 ที่อุณหภูมิห้อง ซึ่งมีค่าสูงกว่าโครงสร้างวัสดุแบบ GMR และทำให้

เกิดการเปลี่ยนผ่านสู่อุตสาหกรรมเทคโนโลยีหัวอ่านข้อมูลแบบ CPP-TMR ในปี ค.ศ. 2006

การพัฒนาเพื่อเพิ่มค่าอัตราส่วน MR นำไปสู่การศึกษาปรากฏการณ์ TMR ในโครงสร้างรอยต่อ

ทะลุผ่านเชิงแม่เหล็กอย่างต่อเนื่อง และชี้ให้เห็นว่าการนำวัสดุฉนวนไฟฟ้า MgO ที่มีคุณสมบัติความ

เป็นแม่เหล็กอย่างอ่อนและมีโครงสร้างแบบผลึกเป็นชั้นคั่นกลาง โดยทำหน้าที่เป็นชั้นกำแพงการทะลุ

ผ่านจะทำให้เกิดค่าอัตราส่วน MR ที่มีค่าสูง เช่น ในโครงสร้าง Fe/MgO/Fe มีค่าอัตราส่วน MR สูงถึง
ร้อยละ 220 ที่อุณหภูมิห้อง และมีการประยุกต์ใช้ชั้นฉนวนไฟฟ้า MgO กับวัสดุแม่เหล็กเฟอร์โรที่ชนิด

ต่างๆ กันอย่างกว้างขวาง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในโครงสร้างวัสดุ Co 20Fe 60B 20 /MgO/Co 20Fe 60B 20 โดย

ในปี 2008 กลุ่มวิจัยของ S. Ikeda และคณะ ได้แสดงค่าอัตราส่วน MR ในโครงสร้างดังกล่าว ซึ่งมีค่า
สูงถึงร้อยละ 604 ที่อุณหภูมิห้อง และทำให้เกิดการประยุกต์ใช้โครงสร้างวัสดุดังกล่าวในอุปกรณ์การ

บันทึกข้อมูล MRAM และหัวอ่านข้อมูลฮาร์ดดิสก์ไดร์ฟในปัจจุบัน

ชนิดของหัวอ่านข้อมูลฮาร์ดดิสก์ไดร์ฟสามารถพิจารณาได้จากกลไกการเกิดปรากฏการณ์ค่า
ความต้านทานเชิงแม่เหล็ก ซึ่งขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของชั้นสเปสเซอร์ที่ใช้คั่นกลางระหว่างชั้นอ้างอิงและ

ชั้นอิสระ โดยทั่วไปหัวอ่านข้อมูลสามารถแบ่งออกเป็น 2 ประเภทหลัก ได้แก่ หัวอ่านข้อมูลแบบค่า

ความต้านทานเชิงแม่เหล็กขนาดใหญ่ (GMR) ซึ่งชั้นสเปสเซอร์ทำจากวัสดุนอนแมกเนต และหัวอ่าน