Page 26 - Spin Transport and Spintronics
P. 26
1.2 ปรากฏการณ์ความต้านทานเชิงแม่เหล็กจากการทะลุผ่าน 27
1.2 ปรากฏการณ์ความต้านทานเชิงแม่เหล็กจากการทะลุผ่าน
ปรากฏการณ์ TMR ถูกค้นพบครั้งแรกในปี 1975 โดย M. Julliere ซึ่งทำการศึกษาปรากฏ-
การณ์ค่าความต้านทานทางแม่เหล็กเชิงการทดลองในโครงสร้างวัสดุสามชั้น Fe/Ge/Co โดยมีค่า
อัตราส่วน MR ร้อยละ 14 ที่อุณหภูมิ 4.2 เคลวิน ซึ่งผลการทดลองดังกล่าวแสดงให้เห็นว่าค่าอัตราส่วน
MR มีค่าต่ำและมีข้อจำกัดในการประยุกต์ใช้งานในอุปกรณ์หน่วยความจำเชิงแม่เหล็กที่อุณหภูมิห้อง
ทำให้การศึกษาปรากฏการณ์ค่าความต้านทานเชิงแม่เหล็กที่อุณหภูมิต่ำยังคงไม่ได้รับความสนใจและ
ถูกศึกษาอย่างกว้างขวางมากนัก จนกระทั่งการค้นพบปรากฏการณ์ GMR ในปี 1988 ทำให้การศึกษา
ปรากฏการณ์ค่าความต้านทานทางแม่เหล็กในโครงสร้างวัสดุแม่เหล็กหลายชั้นได้รับความสนใจและ
ถูกศึกษาอย่างแพร่หลาย เพื่อนำไปสู่การประยุกต์ใช้ในการพัฒนาประสิทธิภาพหัวอ่านข้อมูลในหน่วย
ความจำเชิงแม่เหล็กเช่น ฮาร์ดดิสก์ไดร์ฟและ MRAM เป็นต้น โดยในปี 1991 S. Parkin และคณะ ได้
ทำการศึกษาการเกิดปรากฏการณ์ GMR ในโครงสร้างวัสดุ [Co/Cu] 60 ซึ่งพบว่าโครงสร้างวัสดุหลาย
ชั้นให้ค่าอัตราส่วน MR ร้อยละ 65 ที่อุณหภูมิห้องและถูกประยุกต์ใช้งานในโครงสร้างหัวอ่านข้อมูลใน
เวลาต่อมา อย่างไรก็ตามการออกแบบฮาร์ดดิสก์ไดร์ฟให้มีค่าความจุข้อมูล (areal density) มากกว่า
2
1 Tb/inch นำไปสู่ข้อจำกัดของหัวอ่านข้อมูลแบบ GMR ซึ่งมีค่าอัตราส่วน MR ที่ต่ำ และส่งผลต่อ
ประสิทธิภาพในการแยกแยะค่าสัญญาณทางไฟฟ้าของสถานะบิต 1 และ 0
การศึกษาปรากฏการณ์ TMR ได้รับความสนใจและถูกศึกษาอย่างกว้างขวางทั้งด้านทฤษฎีและ
การทดลองอีกครั้ง เพื่อปรับปรุงค่าอัตราส่วน MR ที่อุณหภูมิห้องให้มีค่าที่สูงขึ้นและสามารถนำไป
ประยุกต์ใช้ในการออกแบบและพัฒนาอุปกรณ์หน่วยความจำเชิงแม่เหล็กให้มีประสิทธิภาพที่สูงขึ้น โดย
Miyazaki และ Tezuka ได้ทำการศึกษาโครงสร้างวัสดุ Fe/Al 2O 3 /Fe ซึ่งให้ค่าอัตราส่วน TMR ร้อย
ละ 30 ที่ 4.2 K และร้อยละ 18 ที่อุณหภูมิห้อง การศึกษาดังกล่าวนำไปสู่การพัฒนาโครงสร้างวัสดุ
สามชั้นที่ให้ค่าอัตราส่วน TMR ที่สูงขึ้น ต่อมาในปี 2004 D. Wang และคณะได้ทำการศึกษาโครงสร้าง
CoFeB/Al 2O 3 /CoFeB ซึ่งสามารถให้ค่า TMR สูงสุดที่ประมาณร้อยละ 70 ที่อุณหภูมิห้อง อย่างไร
ก็ตามยังคงมีข้อมีจำกัดสำหรับการประยุกต์ใช้วัสดุ Al 2O 3 ซึ่งมีโครงสร้างแบบอสัณฐาน (amorphous)
เป็นชั้นคั่นกลางในหัวอ่านข้อมูลในฮาร์ดดิสก์ไดร์ฟ เนื่องจากโครงสร้างหัวอ่านข้อมูลที่เหมาะสมต้องมี
ค่าอัตราส่วน MR ที่สูงกว่าร้อยละ 150 และมีค่าความต้านทานทางไฟฟ้าของการทะลุผ่านที่ต่ำ ในเวลา
ต่อมามีการศึกษาคุณสมบัติของชั้นสเปสเซอร์ในเชิงทฤษฎีและเชิงการทดลอง แสดงให้เห็นว่าการใช้
วัสดุฉนวนไฟฟ้า MgO ที่มีโครงสร้างแบบผลึก (crystalline) เป็นชั้นคั่นกลางจะทำให้เกิดค่าอัตราส่วน
MR ที่สูง โดยพบว่าในโครงสร้าง Fe/MgO/Fe มีค่าอัตราส่วน MR มีค่าสูงถึงร้อยละ 220 ที่อุณหภูมิ
ห้อง