Page 188 - Spin Transport and Spintronics

7.2 คุณสมบัติทางแม่เหล็กของวัสดุ CoFeB-MgO 190

แบบจำลองระดับอะตอมจะถูกนำมาพิจารณาในการจำลองชั้นวัสดุ CoFeB ที่มีโครงสร้างผลึก

แบบ bcc ที่มีระยะห่างระหว่างอะตอมหรือค่าคงที่แลตทิซเท่ากับ 0.286 nm เพื่อความง่ายในการ
คำนวณ อะตอมของ Fe และ Co จะถูกนำมาเฉลี่ยคิดรวมเป็นอะตอมเดียวที่มีค่าสปินโมเมนต์เท่ากับ

1.6µ b โดยการประมาณค่านี้จะไม่ส่งผลต่อคุณสมบัติทางแม่เหล็กของวัสดุและยังให้ผลที่ใกล้เคียงกับ

ผลการทดลอง อะตอมโบรอนซึ่งมีคุณสมบัติเป็นวัสดุนอนแมกเนตจะมีการกระจายตัวแบบสุ่มในชั้น
วัสดุ CoFeB และส่งผลต่อคุณสมบัติทางแม่เหล็กของชั้นวัสดุเนื่องจากอะตอมโบรอนเข้าไปแทรกในชั้น

วัสดุแม่เหล็กเฟอร์โร พลังงานที่เกิดขึ้นในระบบสามารถพิจารณาได้จากสมการฮามิลโทเนียนดังนี้

X X
H = − J ijS i · S j − K (S i · e) 2 (7.1)
i̸=j i

เมื่อ J ij คือปริพันธ์การแลกเปลี่ยนปฏิสัมพันธ์ระหว่างสปิน i กับสปิน j

S i คือเวกเตอร์หนึ่งหน่วยของสปิน i

S j คือเวกเตอร์หนึ่งหน่วยของสปินใกล้เคียง j

K คือ ค่าคงที่แอนไอโซทรอปี

e คือ เวกเตอร์หนึ่งหน่วยของแกนง่าย

เมื่อทำการคำนวณคุณสมบัติทางแม่เหล็กของโครงสร้างวัสดุ CoFeB(t)/MgO(0.85 nm) ด้วย
แบบจำลองระดับอะตอมผ่านการพิจารณาด้วยสมการ LLG ได้ความสัมพันธ์ของแมกนีไทเซชันที่อุณห-

ภูมิใดๆ ดังรูปที่ 7.4 พบว่าความหนาของชั้นฟิล์มจะส่งผลต่อค่าแมกนีไทเซชันที่อุณหภูมิสูง โดยเฉพาะ

อย่างยิ่งสำหรับชั้นฟิล์มบางที่มีความหนาเพียง 2-3 อะตอม ขนาดของแมกนีไทเซชันจะลดลงอย่าง

มากที่อุณหภูมิสูงเมื่อเปรียบเทียบกับชั้นฟิล์มหนา ซึ่งค่าที่ได้จากการคำนวณมีค่าที่สอดคล้องกับผลการ
ทดลอง เป็นการยืนยันความถูกต้องของค่าพารามิเตอร์และแบบจำลองได้อย่างดี นอกจากนี้การศึกษา

เชิงการทดลองได้ทำการวัดลักษณะวงปิดฮิสเตอรีซีสของโครงสร้าง CoFeB(t)/MgO(0.85 nm) ที่ความ

หนาต่างๆ พบว่าความหนาของชั้นฟิล์มส่งผลต่อทิศทางของแกนง่ายหรือแอนไอโซทรอปีของวัสดุ [6]
โดยชั้นวัสดุ CoFeB ที่มีความหนาที่เหมาะสมจะแสดงค่าแอนไอโซทรอปีในแนวตั้งฉากกับระนาบของ

โครงสร้าง ซึ่งสามารถนำไปประยุกต์ใช้อุปกรณ์หน่วยความจำเข้าถึงแบบสุ่มเชิงแม่เหล็ก STT-MRAM ที่

มีค่าความจุข้อมูลสูง อัตราส่วน MR และเสถียรภาพทางความร้อนที่สูง

วัสดุ CoFeB เป็นวัสดุที่มีค่าคงที่ความหน่วงต่ำซึ่งส่งผลต่ออัตราการใช้พลังงานไฟฟ้าที่ต่ำ เมื่อ

พิจารณาผลการวัดวงปิดฮิสเตอรีซิส (M–H curves) ในรูปที่ 7.5 พบว่าการป้อนสนามแม่เหล็กภายนอก

ในทิศทางตั้งฉาก (out of plane) กับระนาบของโครงสร้างวัสดุ CoFeB-MgO ที่ชั้นวัสดุ CoFeB มีความ

หนาเท่ากับ 1.3 nm จะเกิดวงปิดฮิสเตอรีซีสที่วัดค่าสนามโคเออซิวิตี้เท่ากับ Hc = 1.5 mT และเมื่อ