Page 16 - Spin Transport and Spintronics
P. 16
1.1 ปรากฏการณ์ความต้านทานเชิงแม่เหล็กขนาดใหญ่ 17
ปรากฏการณ์ค่าความต้านทานเชิงแม่เหล็กถูกนำมาประยุกต์ใช้ในการออกแบบหัวเขียนและหัว
อ่านข้อมูลอย่างกว้างขวาง ดังนั้นในการออกแบบหน่วยความจำเชิงแม่เหล็กเหล่านี้จำเป็นต้องเข้าใจ
คุณสมบัติการส่งผ่านของสปินเพื่ออธิบายกลไกการเกิดปรากฏการณ์ GMR และ TMR ภายในวัสดุแม่
เหล็ก ซึ่งคุณสมบัติของชั้นสเปสเซอร์ที่ใช้คั่นกลางระหว่างชั้นวัสดุแม่เหล็กเฟอร์โรจะเป็นตัวกำหนด
ลักษณะการเกิดปรากฏการณ์ค่าความต้านทานเชิงแม่เหล็ก โดยชั้นสเปสเซอร์ที่ทำด้วยวัสดุนอนแมก
เนตจะทำให้เกิดปรากฏการณ์ GMR ซึ่งอาศัยกลไกการเกิดการกระเจิงของสปิน ในขณะที่สเปสเซอร์ที่
ทำด้วยวัสดุฉนวนจะทำให้เกิดปรากฏการณ์ TMR ซึ่งอาศัยกลไกการทะลุผ่านของสปินภายในโครงสร้าง
วัสดุ ความเข้าใจเหล่านี้จะนำไปสู่การประยุกต์การใช้งานและการออกแบบอุปกรณ์สปินทรอนิกส์ต่างๆ
ได้อย่างเหมาะสมและมีประสิทธิภาพ
1.1 ปรากฏการณ์ความต้านทานเชิงแม่เหล็กขนาดใหญ่
ปรากฏการณ์ความต้านทานเชิงแม่เหล็กขนาดใหญ่ (giant magnetoresistance หรือ GMR)
เป็นปรากฏการณ์ที่เกิดการเปลี่ยนแปลงความต้านทานภายในโครงสร้างวัสดุแม่เหล็กเมื่อทำการป้อน
สนามแม่เหล็กภายนอกให้แก่โครงสร้างวัสดุ ปรากฏการณ์นี้ถูกค้นพบครั้งแรกในปี ค. ศ. 1988 โดย
กลุ่มวิจัยของ Baibich และคณะซึ่งได้ทำการศึกษาในโครงสร้างวัสดุแม่เหล็กหลายชั้น Fe/Cr และในปี
ค. ศ. 1989 กลุ่มวิจัยของ Binash และคณะได้ทำการศึกษาโครงสร้างสปินวาล์ว (spin valve) ซึ่งเป็น
โครงสร้างวัสดุสามชั้น Fe/Cr/Fe ปรากฎการณ์ดังกล่าวถูกนำมาประยุกต์ใช้ในกระบวนการเขียนและ
การอ่านข้อมูลในอุปกรณ์สปินทรอนิกส์เช่น หัวอ่านในฮาร์ดดิสก์ไดร์ฟ และหน่วยความจำเข้าถึงแบบ
สุ่มเชิงแม่เหล็ก
ปรากฏการณ์ความต้านทานเชิงแม่เหล็กสามารถพิจารณาได้ในโครงสร้างวัสดุสามชั้นประกอบ
ด้วยชั้นวัสดุแม่เหล็กเฟอร์โรสองชั้นคั่นกลางด้วยชั้นสเปสเซอร์ (spacer) ซึ่งเป็นวัสดุที่ไม่มีความเป็นแม่
เหล็กหรือวัสดุนอนแมกเนต (nonmagnet) โดยชั้นวัสดุแม่เหล็กเฟอร์โรชั้นแรกซึ่งถูกเรียกว่า ชั้นพิน
(pinned layer) จะมีแมกนีไทเซชันจัดเรียงตัวไปในทิศทางที่แน่นอน โดยอาศัยปรากฏการณ์ไบอัสแลก
เปลี่ยน (exchange bias) ที่เกิดขึ้นจากการประกบติดกับชั้นวัสดุแม่เหล็กแอนติเฟอร์โร (antiferro-
magnetic หรือ AFM) ชั้นวัสดุเหล็กเฟอร์โรชั้นที่สองซึ่งเรียกว่าชั้นอิสระ (free layer) จะมีแมกนีไทเซ
ชันที่สามารถเปลี่ยนแปลงทิศทางได้อย่างอิสระ โดยมีทิศทางขึ้นอยู่กับการเหนี่ยวนำจากสนามแม่เหล็ก
ภายนอก ดังแสดงในรูปที่ 1.2
การศึกษาปรากฏการณ์ GMR เริ่มจากการศึกษาเชิงการทดลองในโครงสร้างวัสดุแม่เหล็กแบบ
หลายชั้น [Cr/Fe]n โดยทำการป้อนกระแสในแนวระนาบของโครงสร้างวัสดุ (current in plane หรือ
CIP) และพบว่าค่าความต้านทานเชิงแม่เหล็กจะขึ้นอยูกับความหนาของชั้นวัสดุซึ่งจะต้องมีค่าน้อยกว่า