Page 184 - Spin Transport and Spintronics

7.1 โครงสร้างรอยต่อทะลุผ่านเชิงแม่เหล็ก 186

ฟิล์มบางที่มีคุณสมบัติเป็นฉนวนไฟฟ้า วัสดุแม่เหล็กเฟอร์โรชั้นที่หนึ่งทำหน้าที่เป็นชั้นพิน ซึ่งแมกนีไท

เซชันมีการกำหนดทิศทางที่แน่นอนโดยอาศํยปรากฏการณ์ไบอัสแลกเปลี่ยนที่เกิดจากการประกบติด
กันระหว่างชั้นพินกับชั้นวัสดุแม่เหล็กแอนติเฟอร์โร วัสดุแม่เหล็กเฟอร์โรแมกเนติกชั้นที่สองทำหน้าที่

เป็นชั้นอิสระ ซึ่งทิศทางของแมกนีไทเซชันจะขึ้นอยู่กับการเหนี่ยวนำของบิตข้อมูล และชั้นฉนวนไฟฟ้า

จะทำหน้าที่เป็นกำแพงการทะลุผ่านซึ่งต้องมีความหนาที่เหมาะสมเพื่อให้สปินสามารถทะลุผ่านได้เมื่อ
มีการป้อนกระแสไฟฟ้าจากภายนอก และสามารถป้องกันการเกิดปฎิสัมพันธ์แลกเปลี่ยนระหว่างแมก

นีไทเซชันภายในชั้นวัสดุแม่เหล็กเฟอร์โรทั้งสองชั้น โครงสร้าง MTJ มีหลักการทำงานโดยอาศัยปรา-

กฎการณ์สปินทอร์คเช่นเดียวกันกับโครงสร้างสปินวาล์ว เมื่อทำการป้อนแรงดันไฟฟ้าให้กับโครงสร้าง
MTJ ตัวนำอิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่จากชั้นพินไปยังชั้นอิสระ โดยเกิดปฎิสัมพันธ์แลกเปลี่ยนระหว่าง

อิเล็กตรอนชั้น s และอิเล็กตรอนชั้น d ของแมกนีไทเซชันภายในชั้นพิน ทำให้สปินมีแนวโน้มจัดเรียง

ตัวไปในทิศทางเดียวกันกับแมกนีไทเซชันของชั้นพิน กระแสสปินจะกลายเป็นกระแสสปินโพลาไรซ์ ซึ่ง

จะเคลื่อนที่ทะลุผ่านชั้นวัสดุ IS ไปยังชั้นอิสระและเกิดปฎิสัมพันธ์แลกเปลี่ยนอีกครั้งกับแมกนีไทเซชัน
ภายในชั้นอิสระ ส่งผลให้เกิดสปินทอร์คกระทำต่อแมกนีไทเซชันภายในชันอิสระและขนาดของสปิน

ทอร์คจะแปรผันตรงกับความหนาแน่นของกระแสสปิน ซึ่งความหนาแน่นของกระแสสปินที่เหมาะสม

จะขึ้นอยู่กับการประยุกต์ใช้งาน สำหรับการประยุกต์ใช้ในหัวเขียนข้อมูล ความหนาแน่นของกระแส

สปินควรมีค่ามากพอที่จะเหนี่ยวนำทิศทางของแมกนีไทเซชันภายในชั้นอิสระ ในขณะที่การประยุกต์ใช้
กับหัวอ่านข้อมูล ความหนาแน่นของกระแสสปินจะต้องมีค่าไม่สูงเกินไปจนทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลง

ทิศทางของแมกนีไทเซชันของชั้นอิสระ

การศึกษาคุณสมบัติทางแม่เหล็กของวัสดุแม่เหล็กเฟอร์โรมีความสำคัญในการพัฒนาโครงสร้าง

MTJ เพื่อนำไปสู่การประยุกต์ใช้ในหน่วยความจำ STT-MRAM ที่มีประสิทธิภาพ โดยคุณสมบัติของ

โครงสร้าง MTJ ที่เหมาะสมจะต้องให้ค่าอัตราส่วน TMR ที่สูงเพื่อใช้ในการอ่านและเขียนข้อมูล และ
มีค่าแอนไอโซโทรปีสูงเพื่อให้อุปกรณ์มีเสถียรภาพทางความร้อน ในปัจจุบันค่าความต้านทานเชิงแม่

เหล็กถูกศึกษาอย่างแพร่หลายทั้งในด้านเชิงทดลองและเชิงทฤษฎี โดยในปี 1975 Julliere และคณะ

ได้ศึกษาโครงสร้าง Fe/Ge/Co ซึ่งมีค่าอัตราส่วน TMR ประมาณร้อยละ 14 ที่อุณหภูมิ 4.2 K อย่างไร
ก็ตามพบว่าโครงสร้างดังกล่าวให้ค่า TMR ไม่มากพอสำหรับการประยุกต์ใช้ในอุณหภูมิห้อง ต่อมาในปี

1994 Miyazaki และ Tezuka ได้ทำการศึกษาโครงสร้าง Fe/Al 2O 3 /Fe ซึ่งพบว่าการเปลี่ยนชั้นฉนวน

จาก Ge เป็น Al 2O 3 ให้ค่าอัตราส่วน TMR สูงขึ้นเป็นร้อยละ 30 ที่อุณหภูมิ 4.2 K และมีค่าอัตราส่วน

TMR ร้อยละ 18 ที่อุณหภูมิห้อง ซึ่งการค้นพบดังกล่าวทำให้เกิดการพัฒนาเพื่อนำไปสู่การประยุกต์ใช้
งานที่อุณหภูมิห้อง และต่อมาในปี 2004 Wang ได้ทำการศึกษาโครงสร้างวัสดุ CoFe/Al 2O 3 /CoFe

ซึ่งมีค่าอัตราส่วน TMR ประมาณร้อยละ 70 ที่อุณหภูมิห้อง แต่โครงสร้างนี้ยังมีค่าอัตราส่วน TMR ไม่

มากพอที่จะสามารถนำไปประยุกต์ใช้ใน MRAM ได้ โครงสร้างรอยต่อทะลุผ่านเชิงแม่เหล็กได้รับการ

พัฒนาอย่างต่อเนื่องเพื่อให้มีค่าอัตราส่วน TMR ที่สูงและสามารถนำมาประยุกต์ใช้กับอุปกรณ์บันทึก