Page 27 - Spin Transport and Spintronics

1.2 ปรากฏการณ์ความต้านทานเชิงแม่เหล็กจากการทะลุผ่าน 28

จากผลการศึกษาดังกล่าวนำไปสู่การประยุกต์ใช้ชั้นฉนวนไฟฟ้า MgO ในโครงสร้างวัสดุแม่เหล็ก

ต่างๆ เช่น FePt/MgO/Fe CO 2MnSi/MgO/CoFe Co/MgO/Co และ CoFeB/MgO/CoFeB เป็นต้น
ซึ่งผลการทดลองดังกล่าวแสดงให้เห็นว่าโครงสร้างรอยต่อทะลุผ่านเชิงแม่เหล็ก MTJ สามารถทำให้เกิด

ค่าอัตราส่วน MR ที่สูงถึงร้อยละ 500 ที่อุณหภูมิห้อง โดยการศึกษาปรากฏการณ์ TMR ได้รับความ

สนใจและถูกศึกษาอย่างต่อเนื่อง จนกระทั่งในปี 2008 กลุ่มวิจัยของ S. Ikeda และคณะ [6] ได้ทำการ
ศึกษาปรากฏการณ์TMRในโครงสร้าง Co 20Fe 60B 20 /MgO/Co 20Fe 60B 20 โดยพบว่าค่าอัตราส่วนMR

ของโครงสร้าง MTJ ดังกล่าวมีค่าสูงถึงร้อยละ 604 ที่อุณหภูมิห้อง ซึ่งจากผลการทดลองของงานวิจัยดัง

กล่าวนำไปสู่การประยุกต์ใช้โครงสร้างวัสดุ Co 20Fe 60B 20 /MgO/Co 20Fe 60B 20 ในอุปกรณ์การบันทึก
ข้อมูล MRAM และหัวอ่านข้อมูลฮาร์ดดิสก์ไดร์ฟในปัจจุบัน

ปรากฎการณ์ความต้านทานเชิงแม่เหล็กจากการทะลุผ่านสามารถอธิบายได้จากโครงสร้างวัสดุ

สามชั้นเช่นเดียวกับการเกิดปรากฏการณ์ความต้านทานเชิงแม่เหล็กขนาดใหญ่ แต่ชั้นสเปสเซอร์จะถูก

แทนที่ด้วยวัสดุที่เป็นฉนวนไฟฟ้าหรือวัสดุกึ่งตัวนำ ปรากฏการณ์ค่าความต้านทานเชิงแม่เหล็กจากการ
ทะลุผ่านหรือปรากฏการณ์ TMR มีค่าขึ้นอยู่กับการทะลุผ่านของสปิน (spin-dependent tunneling)

จากการป้อนกระแสไฟฟ้าผ่านโครงสร้างรอยต่อทะลุผ่านเชิงเหล็ก (magnetic tunnel junction หรือ

MTJ) ซึ่งประกอบด้วยชั้นวัสดุแม่เหล็กเฟอร์โรสองชั้นที่ถูกคั่นกลางด้วยฟิล์มบางฉนวนไฟฟ้า (IS) ที่
มีคุณสมบัติเป็นแม่เหล็กอย่างอ่อน โดยทั่วไปความหนาของชั้นฉนวนไฟฟ้าจะมีความกว้างไม่เกิน 1

nm เพื่อให้กระแสสปินจากชั้นวัสดุเฟอร์โรชั้นแรกเคลื่อนที่ทะลุผ่านชั้นฉนวนไฟฟ้าไปยังชั้นวัสดุแม่

เหล็กเฟอร์โรอีกชั้นได้ การเกิดปรากฏการณ์ TMR สามารถอธิบายได้จากการใช้แบบจำลองของจูเลียร์
(Julliere’s model) ภายใต้สมมติฐานสองข้อคือ กระบวนการการทะลุผ่านของสปินจะเป็นไปตามกฎ

การอนุรักษ์ของจำนวนสปิน (conservation of spin) และการทะลุผ่านของสปินขึ้นและสปินลงเป็น

อิสระต่อกัน

โดยทั่วไปการทะลุผ่านของกระแสสปินจะมีค่าขึ้นอยู่กับทิศทางของแมกนีไทเซชันระหว่างชั้น
วัสดุแม่เหล็กเฟอร์โร เมื่อทำการป้อนกระแสไฟฟ้าจากภายนอกซึ่งประกอบด้วยสปินของอิเล็กตรอน

ตัวนำที่มีทิศทางแบบสุ่มให้เคลื่อนที่ผ่านโครงสร้าง FM1/IS/FM2 จะพบว่าสปินมีแนวโน้มที่จะจัดเรียง

ตัวตามความหนาแน่นทางสถานะ (density of states) ของสปินภายในชั้นวัสดุ FM1 ซึ่งประกอบด้วย
ความหนาแน่นทางสถานะของสปินส่วนมากหรือสปินขึ้น (majority spin, N ↑ ) และสปินส่วนน้อย

หรือสปินลง (minority spin, N ↓) ดังแสดงในรูปที่ 1.6 ทำให้เกิดเป็นกระแสสปินขึ้น (j m) และกระแส
↑
สปินลง (j m) จากนั้นกระแสสปินดังกล่าวจะเคลื่อนที่ทะลุผ่านกำแพงไปยังชั้นวัสดุ FM2 ซึ่งปริมาณของ
↓
กระแสสปินขึ้นและกระแสสปินลงที่จะสามารถทะลุผ่านชั้นฉนวนจะมีค่าขึ้นอยู่กับความหนาแน่นทาง

สถานะของสปินภายในชั้นวัสดุ FM2 กล่าวคือ ในกรณีที่แมกนีไทเซชันของวัสดุแม่เหล็กเฟอร์โรทั้งสอง

ชั้นมีทิศทางขนานกัน (parallel state) ซึ่งความหนาแน่นทางสถานะของสปินขึ้นและลงภายในชั้นวัสดุ