Gigant magnetoresistans - Giant magnetoresistance

Gigant magnetoresistans (GMR) a kvant mexanik magnetoresistance ichida kuzatilgan effekt ko'p qatlamli o'zgaruvchan ferromagnitik va magnit bo'lmagan o'tkazuvchi qatlamlar. 2007 yil Fizika bo'yicha Nobel mukofoti taqdirlandi Albert Fert va Piter Grünberg GMR kashfiyoti uchun.

Ta'siri sezilarli o'zgarish sifatida kuzatiladi elektr qarshilik yoki yo'qligiga qarab magnitlanish qo'shni ferromagnitik qatlamlar parallel yoki an antiparallel hizalama. Umumiy qarshilik parallel tekislash uchun nisbatan past va antiparallel tekislash uchun nisbatan yuqori. Magnitlanish yo'nalishini, masalan, tashqi magnit maydonni qo'llash orqali boshqarish mumkin. Ta'sir elektronlarning tarqalishining spin yo'nalishiga bog'liqligiga asoslangan.

GMR ning asosiy qo'llanilishi magnit maydon sensorlari, bu ma'lumotni o'qish uchun ishlatiladi qattiq disk drayverlari, biosensorlar, mikroelektromekanik tizimlar (MEMS) va boshqa qurilmalar.^[1] GMR ko'p qatlamli tuzilmalari ham ishlatiladi magnetoresistiv tasodifiy kirish xotirasi (MRAM) bir bit ma'lumotni saqlaydigan hujayralar sifatida.

Adabiyotda gigant magnetoresistensiya atamasi ba'zan chalkashtirib yuboriladi ulkan magnetoresistans ko'p qatlamli tuzilishga aloqador bo'lmagan ferromagnitik va antiferromagnitli yarim o'tkazgichlarning.^[2][3]

Tashkil etish natijalari Albert Fert va Piter Grünberg (1988): tashqi magnit maydonida Fe / Cr ustki qatlamlarining 4.2 K darajadagi o'zgarishi.H oqim va magnit maydon parallel bo'lgan [110] o'qi. O'ngdagi o'q maksimal qarshilik o'zgarishini ko'rsatadi. H_s to'yinganlik maydoni.^{[eslatma 1]}

Formulyatsiya

Magnetoresistance - ning bog'liqligi elektr qarshilik tashqi magnit maydon kuchi bo'yicha namunaning. Raqamli ravishda, bu qiymat bilan tavsiflanadi

${ displaystyle delta _ {H} = { frac {R (H) -R (0)} {R (0)}}}$

bu erda R (H) - bu magnit H maydonidagi namunaning qarshiligi va R (0) H = 0 ga to'g'ri keladi.^[4] Ushbu ifodaning alternativ shakllari qarshilik o'rniga elektr qarshiligini ishlatishi mumkin, b uchun boshqa belgi_H,^[5] va ba'zida R (0) o'rniga R (H) tomonidan normallashtiriladi.^[6]

"Gigant magnetoresistance" atamasi δ qiymatini bildiradi_H ko'p qatlamli tuzilmalar uchun anisotropik magnetoresistansdan sezilarli darajada oshib ketadi, bu odatdagi qiymatga bir necha foizgacha etadi.^[7][8]

Tarix

GMR 1988 yilda mustaqil ravishda topilgan^[9][10] guruhlari tomonidan Albert Fert ning Parij-Sud universiteti, Frantsiya va Piter Grünberg ning Forschungszentrum Julich, Germaniya. Ushbu eksperimental kashfiyotning amaliy ahamiyati 2007 yilda Fert va Grünbergga berilgan fizika bo'yicha Nobel mukofoti tomonidan tan olingan.^[11]

Dastlabki qadamlar

Magnitlanishning ta'sirini tavsiflovchi birinchi matematik model qattiq moddalardagi zaryad tashuvchilarning harakatchanligi Ushbu transport vositalarining aylanishi bilan bog'liq bo'lganligi haqida 1936 yilda xabar berilgan edi. δ ning potentsial yaxshilanishining eksperimental dalillari._H 1960 yildan beri ma'lum bo'lgan. 1980-yillarning oxiriga kelib, anizotrop magnetoresoresistance yaxshi o'rganildi,^[12][13] lekin δ ning tegishli qiymati_H bir necha foizdan oshmadi.^[7] Δ ning yaxshilanishi_H kabi namunalarni tayyorlash texnikasi paydo bo'lishi bilan mumkin bo'ldi molekulyar nur epitaksi, bu qalinligi bir necha nanometr bo'lgan ko'p qatlamli yupqa plyonkalarni ishlab chiqarish imkonini beradi.^[14]

Tajriba va uning talqini

Fert va Grünberg ferromagnitik va ferromagnit bo'lmagan materiallarni o'z ichiga olgan inshootlarning elektr qarshiligini o'rganishdi. Xususan, Fert ko'p qatlamli filmlarda ishlagan va Grünberg 1986 yilda Fe / Cr filmlarida antiferromagnit almashinuv o'zaro ta'sirini topgan.^[14]

GMRni kashf qilish ishlari ikki guruh tomonidan bir-biridan biroz farqli namunalarda amalga oshirildi. Fert guruhi ishlatgan (001) Fe / (001) Cr ustki qatlamlari, unda Fe va Cr qatlamlari yuqori vakuumda (001) GaAs substratda 20 ° C da saqlangan va magnetoresistance o'lchovlari past haroratda olingan (odatda 4.2 K).^[10] Grünberg ishi Fe va Cr ko'p qavatli (110) GaAs ustida xona haroratida bajarilgan.^[9]

3 nm qalinlikdagi temir qatlamlari bo'lgan Fe / Cr ko'p qatlamlarida magnit bo'lmagan Cr qatlamlarining qalinligini 0,9 dan 3 nm gacha oshirish Fe qatlamlari orasidagi antiferromagnit bog'lanishni susaytirdi va demagnetizatsiya maydonini kamaytirdi, bu ham namuna olganda kamaydi 4,2 K dan xona haroratiga qadar isitiladi. Magnit bo'lmagan qatlamlarning qalinligini o'zgartirish gisterez halqasida qoldiq magnitlanishning sezilarli darajada pasayishiga olib keldi. 4.2 K da tashqi magnit maydon bilan elektr qarshiligi 50% gacha o'zgardi, Fert anizotrop magnetoresistance bilan farqini ta'kidlash uchun yangi effektni ulkan magnetoresistance deb nomladi.^[10][15] TheGrünberg tajribasi^[9] xuddi shu kashfiyotni amalga oshirdi, ammo namunalar past haroratda emas, balki xona haroratida bo'lganligi sababli ta'sir kamroq aniqlandi (50% bilan solishtirganda 3%).

Kashfiyotchilarning ta`kidlashicha, bu effekt ustki qatlamdagi elektronlarning spinga bog'liq ravishda tarqalishiga, xususan qatlamlarning qarshiligining magnitlanish va elektron spinlarining nisbiy yo'nalishlariga bog'liqligiga asoslangan.^[9][10] Kelgusi bir necha yil ichida oqimning turli yo'nalishlari uchun GMR nazariyasi ishlab chiqildi. 1989 yilda Camley va Barnś "tekislikdagi oqim" (CIP) geometriyasini hisoblashdi, bu erda oqim qatlamlar bo'ylab oqadi, klassik yaqinlashishda,^[16] Levi esa va boshq. kvant formalizmidan foydalangan.^[17] Valet-Fert nazariyasi deb nomlanuvchi qatlamlarga perpendikulyar oqim (tekislikka perpendikulyar oqim yoki CPP geometriyasi) uchun GMR nazariyasi 1993 yilda e'lon qilingan.^[18] Ilovalar CPP geometriyasini yoqtiradi^[19] chunki u katta magnetoresistance nisbati (δ) ni ta'minlaydi_H),^[20] Shunday qilib, qurilma sezgirligi oshadi.^[21]

Nazariya

Asoslari

Spinga bog'liq bo'lgan tarqalish

Elektron davlatlarning zichligi Magnit va magnit bo'lmagan metallarda (DOS). 1: ikkita ferromagnit va bitta magnit bo'lmagan qatlamlarning tuzilishi (o'qlar magnitlanish yo'nalishini ko'rsatadi). 2: har bir qatlam uchun har xil aylanish yo'nalishlariga ega bo'lgan elektronlar uchun DOS ning bo'linishi (o'qlar aylanish yo'nalishini bildiradi). F: Fermi darajasi. Magnit moment Fermi darajasida umumiy aylanish yo'nalishiga antiparallel.

Magnit tartibda tayyorlangan materiallarda elektr qarshiligiga hal qiluvchi ahamiyatga ega bo'lib, nolga teng bo'lmagan magnit momentlari bo'lgan kristallografik jihatdan ekvivalent atomlar tomonidan hosil bo'lgan kristalning magnit pastki qismiga elektronlarning tarqalishi ta'sir qiladi. Tarqoqlash elektron spinlari va o'sha magnit momentlarning nisbiy yo'nalishlariga bog'liq: ular parallel bo'lganda eng kuchsiz va antiparallel bo'lganda eng kuchli; u paramagnitik holatida nisbatan kuchli bo'lib, unda atomlarning magnit momentlari tasodifiy yo'nalishga ega.^[7][22]

Oltin yoki mis kabi yaxshi o'tkazgichlar uchun Fermi darajasi ichida yotadi sp tasma va d tasma to'liq to'ldirilgan. Ferromagnetlarda elektron-atom tarqalishining ularning magnit momentlarining yo'nalishiga bog'liqligi metallning magnit xususiyatlari uchun javobgar bo'lgan lentani to'ldirish bilan bog'liq, masalan, 3d temir, nikel yoki kobalt uchun lenta. The d ferromagnitlar tasmasi bo'linadi, chunki unda spinlari yuqoriga va pastga yo'naltirilgan turli xil elektronlar mavjud. Shuning uchun, Fermi darajasidagi elektron holatlarning zichligi qarama-qarshi yo'nalishga ishora qiluvchi spinlar uchun ham farq qiladi. Ko'pchilik-spinli elektronlar uchun Fermi darajasi sp tasma va ularning transporti ferromagnetlarda va magnit bo'lmagan metallarda o'xshashdir. Spin elektronlar uchun sp va d bantlar gibridlangan va Fermi darajasi d guruh. Gibridlangan spd tasma holatlarning yuqori zichligiga ega, bu esa sochilishning kuchayishiga va shu bilan qisqaroq bo'lishiga olib keladi erkin yo'l degani λ ko'pchilik-spinli elektronlarga qaraganda ozchilik-spin uchun. Kobaltli dopingli nikelda λ nisbati_↑/ λ_↓ 20 ga etishi mumkin.^[23]

Ga ko'ra Dude nazariyasi, o'tkazuvchanlik λ ga mutanosib bo'lib, u ingichka metall plyonkalarda bir necha o'ndan nanometrgacha. Elektronlar spinning bo'shashish uzunligi (yoki spinning diffuziya uzunligi) deb ataladigan spinning yo'nalishini "eslab qolishadi", bu o'rtacha erkin yo'ldan sezilarli darajada oshib ketishi mumkin. Spinga bog'liq transport, elektr o'tkazuvchanligining zaryad tashuvchilarning aylanish yo'nalishiga bog'liqligini anglatadi. Ferromagnitlarda bu bo'linmagan 4 orasidagi elektron o'tish tufayli sodir bo'ladis va 3 ga bo'lingd guruhlar.^[7]

Ba'zi materiallarda elektronlar va atomlarning o'zaro ta'siri ularning magnit momentlari parallel emas, balki antiparallel bo'lganida eng zaif bo'ladi. Ikkala turdagi materiallarning kombinatsiyasi teskari GMR effektiga olib kelishi mumkin.^[7][24]

CIP va CPP geometriyalari

Aylanadigan valflar CIP (chapda) va CPP (o'ngda) geometriyasidagi sensorning o'qish qismida. Qizil: datchikni oqim bilan ta'minlaydi, yashil va sariq: ferromagnitik va magnit bo'lmagan qatlamlar. V: potentsial farqi.

Elektr toki magnit superlattices orqali ikki yo'l bilan o'tishi mumkin. Tekislikdagi oqim (CIP) geometriyasida oqim qatlamlar bo'ylab oqadi va elektrodlar strukturaning bir tomonida joylashgan. Tekislikka perpendikulyar (CPP) konfiguratsiyasida oqim qatlamlarga perpendikulyar ravishda o'tkaziladi va elektrodlar ustki qatlamning turli tomonlarida joylashgan.^[7] CPP geometriyasi GMR ning ikki baravaridan yuqori bo'lishiga olib keladi, ammo amalda buni amalga oshirish CIP konfiguratsiyasiga qaraganda ancha qiyin.^[25][26]

Magnit superlattice orqali tashuvchini tashish

GMR effektiga asoslangan spinli valf. FM: ferromagnit qatlam (strelkalar magnitlanish yo'nalishini bildiradi), NM: magnit bo'lmagan qatlam. Yuqoriga va pastga aylanadigan elektronlar valfda turlicha tarqaladi.

Magnit tartiblash qatlamlar orasidagi ferromagnitik va antiferromagnit o'zaro ta'sirga ega ustki qatlamlarda farq qiladi. Avvalgi holatda, qo'llaniladigan magnit maydon bo'lmaganda, turli ferromagnit qatlamlarda magnitlanish yo'nalishlari bir xil bo'ladi, ikkinchi holatda esa, ko'p qatlamda qarama-qarshi yo'nalishlar o'zgarib turadi. Ferromagnit superlattice orqali harakatlanadigan elektronlar, ularning aylanish yo'nalishlari panjaraning magnitlanishiga qarama-qarshi bo'lganida, ular bilan parallel bo'lganiga qaraganda u bilan juda zaif ta'sir o'tkazadilar. Bunday anizotropiya antiferromagnit superlattice uchun kuzatilmaydi; Natijada, u ferromagnit superlattice ga qaraganda kuchli elektronlarni tarqatadi va yuqori elektr qarshiligini namoyish etadi.^[7]

GMR effektining qo'llanilishi qatlamlarning parallel va antiparallel magnitlanishi o'rtasida superlattsiyada dinamik o'tishni talab qiladi. Birinchi yaqinlashishda magnit bo'lmagan qatlam bilan ajratilgan ikkita ferromagnit qatlam o'rtasidagi o'zaro ta'sirning energiya zichligi ularning magnitlanishlarining skalar mahsulotiga mutanosib:

${ displaystyle w = -J ( mathbf {M} _ {1} cdot mathbf {M} _ {2}).}$

Koeffitsient J magnit bo'lmagan qatlam qalinligining tebranuvchi funktsiyasi_s; shuning uchun J uning kattaligi va belgisini o'zgartirishi mumkin. Agar d_s qiymat antiparallel holatga mos keladi, keyin tashqi maydon superlattsiyani antiparallel holatidan (yuqori qarshilik) parallel holatga (past qarshilik) o'tkazishi mumkin. Strukturaning umumiy qarshiligi quyidagicha yozilishi mumkin

${ displaystyle R = R_ {0} + Delta R sin ^ {2} { frac { theta} {2}},}$

qaerda R₀ ferromagnit superlattice qarshiligi, DR GMR o'sishi va d qo'shni qatlamlarning magnitlanishi orasidagi burchakdir.^[25]

Matematik tavsif

GMR hodisasini elektronlarning o'tkazuvchanligiga mos keladigan ikkita spinga bog'liq bo'lgan o'tkazuvchanlik kanallari yordamida tavsiflash mumkin, ular uchun qarshilik minimal yoki maksimal bo'ladi. Ularning orasidagi bog'liqlik ko'pincha spin anizotropiya koeffitsienti bo'yicha aniqlanadi. Ushbu koeffitsientni o'ziga xos elektr qarshiligining minimal va maksimal qiymati yordamida aniqlash mumkin_{F ±} shaklidagi spin-polarizatsiyalangan oqim uchun

${ displaystyle rho _ {F pm} = { frac {2 rho _ {F}} {1 pm beta}},}$

qayerda r_F ferromagnetning o'rtacha qarshiligi.^[27]

CIP va CPP tuzilmalari uchun qarshilik modeli

Agar ferromagnit va magnit bo'lmagan metall orasidagi bo'shliqda zaryad tashuvchilarning tarqalishi kichik bo'lsa va elektron aylanish yo'nalishi etarlicha uzoq davom etsa, namunaning umumiy qarshiligi birlashmasidan iborat bo'lgan modelni ko'rib chiqish qulay. magnit va magnit bo'lmagan qatlamlarning qarshiligi.

Ushbu modelda qatlamlarning magnitlanishiga nisbatan turli xil spin yo'nalishlariga ega bo'lgan elektronlar uchun ikkita o'tkazuvchanlik kanali mavjud. Shuning uchun GMR strukturasining ekvivalent sxemasi kanallarning har biriga mos keladigan ikkita parallel ulanishdan iborat. Bunday holda, GMR quyidagicha ifodalanishi mumkin

${ displaystyle delta _ {H} = { frac { Delta R} {R}} = { frac {R _ { uparrow downarrow} -R _ { uparrow uparrow}} {R _ { uparrow uparrow }}} = { frac {( rho _ {F +} - rho _ {F -}) ^ {2}} {(2 rho _ {F +} + chi rho _ {N}) (2 rho _ {F -} + chi rho _ {N})}}.}$

Bu erda $ R $ pastki satrlari qatlamli va qarama-qarshi yo'naltirilgan magnitlanishni bildiradi, b = b / a magnit va magnit bo'lmagan qatlamlarning qalinligi nisbati va r_N magnit bo'lmagan metallning qarshiligi. Ushbu ibora CIP va CPP tuzilmalari uchun ham amal qiladi. Shart bo'yicha ${ displaystyle chi rho _ {N} ll rho _ {F pm}}$ spin assimetriyasi koeffitsientidan foydalanib, bu aloqani soddalashtirish mumkin

${ displaystyle delta _ {H} = { frac { beta ^ {2}} {1- beta ^ {2}}}.}$

Elektron spinning yo'nalishiga qarab qarshilikka ega bo'lgan bunday qurilma a aylanma valf. Qatlamlarining magnitlanishi parallel bo'lsa, u "ochiq", aks holda "yopiq".^[28]

Valet-Fert modeli

1993 yilda Thierry Valet va Albert Fert Boltzmann tenglamalari asosida CPP geometriyasidagi ulkan magnetoresistance modelini taqdim etdilar. Ushbu modelda magnit qatlam ichidagi kimyoviy potentsial spinni qatlamning magnitlanishiga parallel va antiparallel bo'lgan elektronlarga mos keladigan ikkita funktsiyaga bo'linadi. Agar magnit bo'lmagan qatlam etarlicha ingichka bo'lsa, u holda tashqi E maydonda₀ namunadagi elektrokimyoviy potentsialga va maydonga tuzatishlar shaklga kiradi

${ displaystyle Delta mu = { frac { beta} {1- beta ^ {2}}} eE_ {0} ell _ {s} e ^ {z / ell _ {s}},}$

${ displaystyle Delta E = { frac { beta ^ {2}} {1- beta ^ {2}}} eE_ {0} ell _ {s} e ^ {z / ell _ {s} },}$

qayerda ℓ_s bu spinning bo'shashishining o'rtacha uzunligi va z koordinatasi magnit va magnit bo'lmagan qatlamlar orasidagi chegaradan o'lchanadi (z <0 ferromagnitga to'g'ri keladi).^[18] Shunday qilib ferromagnet chegarasida kimyoviy potensiali kattaroq elektronlar to'planib qoladi.^[29] Bu spinni to'plash potentsiali bilan ifodalanishi mumkin V_AS yoki interfeys qarshiligi deb ataladigan (ferromagnet va magnit bo'lmagan material chegarasiga xos)

${ displaystyle R_ {i} = { frac { beta ( mu _ { uparrow downarrow} - mu _ { uparrow uparrow})} {2ej}} = { frac { beta ^ {2 } ell _ {sN} rho _ {N}} {1+ (1- beta ^ {2}) ell _ {sN} rho _ {N} / ( ell _ {sF} rho _ {F})}},}$

qayerda j namunadagi oqim zichligi, ℓ_sN va ℓ_sF magnit bo'lmagan va magnitlangan materiallarda spinning bo'shashish uzunligi.^[30]

Qurilmani tayyorlash

Materiallar va eksperimental ma'lumotlar

Ko'pgina kombinatsiyalar GMR-ni namoyish etadi,^[31] va eng keng tarqalgani quyidagilar:

• FeCr^[10]
• Co₁₀Cu₉₀: δ_H = Xona haroratida 40%^[32]
• [110] Co₉₅Fe₅/ Cu: δ_H = Xona haroratida 110%.^[31]

Magnetoresistance qurilmaning geometriyasi (CIP yoki CPP), uning harorati va ferromagnitik va magnit bo'lmagan qatlamlarning qalinligi kabi ko'plab parametrlarga bog'liq. 4,2 K haroratda va 1,5 nm kobalt qatlamlarining qalinligi, mis qatlamlarining qalinligini oshirib d_Cu 1 dan 10 nm gacha pasaygan δ_H CIP geometriyasida 80 dan 10% gacha. Ayni paytda, CPP geometriyasida maksimal δ_H (125%) d uchun kuzatilgan_Cu = 2,5 nm, va ortib borayotgan d_Cu 10 nm ga kamaytirilgan δ_H tebranuvchi usulda 60% gacha.^[33]

Co (1,2 nm) / Cu (1,1 nm) ustki qatlam noldan 300 K gacha qizdirilganda, uning δ_H CIP geometriyasida 40 dan 20% gacha, CPP geometriyasida 100 dan 55% gacha kamaydi.^[34]

Magnit bo'lmagan qatlamlar metall bo'lmagan bo'lishi mumkin. Masalan, δ_H 11 K da organik qatlamlar uchun 40% gacha namoyish etildi.^[35] Turli xil dizayndagi grafin spinli klapanlari namoyish etildi δ_H 7 K da taxminan 12% va 300 Kda 10%, bu 109% nazariy chegaradan ancha past.^[36]

GMR effekti ma'lum bir spin yo'nalishidagi elektronlarni tanlaydigan spin-filtrlar yordamida kuchaytirilishi mumkin; ular kobalt kabi metallardan yasalgan. Qalinligi filtri uchun t ΔG o'tkazuvchanligining o'zgarishi quyidagicha ifodalanishi mumkin

${ displaystyle Delta G = Delta G_ {SV} + Delta G_ {f} (1-e ^ { beta t / lambda}),}$

qaerda ΔG_SV bu filtrsiz spin valfining o'tkazuvchanligining o'zgarishi, DG_f - filtr bilan o'tkazuvchanlikning maksimal o'sishi, va β - filtr materialining parametri.^[37]

GMR turlari

GMR ko'pincha ta'sir ko'rsatadigan qurilmalar turi bo'yicha tasniflanadi.^[38]

Filmlar

Antiferromagnit superlattices

Filmlarda GMR birinchi marta Fert va Grünberg tomonidan ferromagnitik va magnit bo'lmagan qatlamlardan tashkil topgan ustki qatlamlarni o'rganishda kuzatilgan. Magnit bo'lmagan qatlamlarning qalinligi shunday tanlanganki, qatlamlar orasidagi o'zaro ta'sir antiferromagnit va qo'shni magnit qatlamlarda magnitlanish antiparallel edi. Keyin tashqi magnit maydon magnitlanish vektorlarini parallel qilib, strukturaning elektr qarshiligiga ta'sir qilishi mumkin.^[10]

Bunday tuzilmalardagi magnit qatlamlar antiferromagnit birikma orqali o'zaro ta'sir qiladi, bu GMR ning magnit bo'lmagan qatlam qalinligiga tebranuvchan bog'liqligini keltirib chiqaradi. Antiferromagnit superlattices yordamida birinchi magnit maydon sensorlarida to'yinganlik maydoni juda katta bo'lib, o'n minglab xursandlar, ularning qatlamlari (xrom, temir yoki kobaltdan qilingan) va ulardagi kuchli anizotropiya maydonlari o'rtasidagi kuchli antiferromagnit ta'sir o'tkazish tufayli. Shuning uchun qurilmalarning sezgirligi juda past edi. Dan foydalanish permalloy magnit bo'lmagan va magnit bo'lmagan qatlamlar uchun to'yinganlik maydonini o'nlab erstedlarga tushirdi.^[39]

Ayirboshlash tarafkashligidan foydalangan holda aylanadigan valflar

Eng muvaffaqiyatli spin-klapanlarda GMR effekti almashinuv tarafkashligidan kelib chiqadi. Ular sezgir qatlamni, "sobit" qatlamni va antiferromagnit qatlamni o'z ichiga oladi. Oxirgi qatlam "qattiq" qatlamda magnitlanish yo'nalishini muzlatib qo'yadi. Tuzilish qarshiligini kamaytirish uchun sezgir va antiferromagnit qatlamlar yupqa holga keltiriladi. Vana sezgir qatlamdagi magnitlanish yo'nalishini "qat'iy" qatlamga nisbatan o'zgartirib, tashqi magnit maydonga ta'sir qiladi.^[39]

Ushbu spinli klapanlarning boshqa ko'p qatlamli GMR qurilmalaridan asosiy farqi amplitudaning qalinlikka monotonik bog'liqligidir. d_N magnit bo'lmagan qatlamlardan:

${ displaystyle delta _ {H} (d_ {N}) = delta _ {H0} { frac { exp left (-d_ {N} / lambda _ {N} right)} {1+ d_ {N} / d_ {0}}},}$

qaerda δ_H0 normallashtirish doimiysi, λ_N magnit bo'lmagan materialdagi elektronlarning o'rtacha erkin yo'lidir, d₀ qatlamlar orasidagi o'zaro ta'sirni o'z ichiga olgan samarali qalinlik.^[38][40] Ferromagnit qatlam qalinligiga bog'liqlikni quyidagicha berish mumkin.

${ displaystyle delta _ {H} (d_ {F}) = delta _ {H1} { frac {1- exp left (-d_ {F} / lambda _ {F} right)} { 1 + d_ {F} / d_ {0}}}.}$

Parametrlar avvalgi tenglamada bo'lgani kabi bir xil ma'noga ega, ammo endi ular ferromagnit qatlamga tegishli.^[31]

O'zaro ta'sir qilmaydigan ko'p qatlamlar (psevdospinli klapanlar)

GMR antiferromagnitik birikma qatlamlari bo'lmagan taqdirda ham kuzatilishi mumkin. Bunday holda, magnetoresistance majburlash kuchlarining farqlanishidan kelib chiqadi (masalan, permalloy uchun u kobaltga qaraganda kichikroq). Permalloy / Cu / Co / Cu kabi ko'p qatlamlarda tashqi magnit maydon to'yingan magnitlanish yo'nalishini kuchli maydonlarda parallelga va kuchsiz maydonlarda antiparallelga o'zgartiradi. Bunday tizimlar quyi to'yinganlik maydonini va katta δ ni namoyish etadi_H antiferromagnitik birikma bilan ishlaydigan yuqori plitalardan.^[39] Xuddi shunday ta'sir Co / Cu tuzilmalarida ham kuzatiladi. Ushbu tuzilmalarning mavjudligi GMR qatlamlararo bog'lanishni talab qilmasligini va tashqi maydon tomonidan boshqarilishi mumkin bo'lgan magnit momentlarning tarqalishidan kelib chiqishini anglatadi.^[41]

Teskari GMR effekti

Teskari GMRda qatlamlarda magnitlanishning antiparallel yo'nalishi uchun qarshilik minimal bo'ladi. Magnit qatlamlar NiCr / Cu / Co / Cu kabi turli xil materiallardan iborat bo'lganda teskari GMR kuzatiladi. Spinlari qarama-qarshi bo'lgan elektronlar uchun qarshilik kuchini quyidagicha yozish mumkin ${ displaystyle rho _ { uparrow, downarrow} = { frac {2 rho _ {F}} {1 pm beta}}}$; u turli xil qiymatlarga ega, ya'ni spin-up va spin-down elektronlari uchun har xil koeffitsientlar β. Agar NiCr qatlami juda nozik bo'lmasa, uning hissasi Co qatlamidan oshib ketishi mumkin, natijada teskari GMR hosil bo'ladi.^[24] GMR inversiyasi belgisiga bog'liqligini unutmang mahsulot qo'shni ferromagnit qatlamlarda β koeffitsientlari, lekin individual koeffitsientlar belgilari bo'yicha emas.^[34]

Teskari GMR, agar NiCr qotishmasi vanadiyli dopingli nikel bilan almashtirilsa, lekin nikelni temir, kobalt, marganets, oltin yoki mis bilan doping qilishda emas.^[42]

Granulali tuzilmalarda GMR

Ferromagnit va magnit bo'lmagan metallarning zarrachali qotishmalaridagi GMR 1992 yilda kashf etilgan va keyinchalik zaryad tashuvchilarning spinga bog'liqligi va donalarning asosiy qismida tarqalishi bilan izohlangan. Donalar magnit bo'lmagan metallga singdirilgan diametri 10 nm bo'lgan ferromagnit klasterlarni hosil qilib, biron bir superlattice hosil qiladi. Bunday tuzilmalarda GMR ta'sirining zaruriy sharti uning tarkibiy qismlarida (masalan, kobalt va mis) zaif o'zaro eruvchanligi hisoblanadi. Ularning xususiyatlari o'lchov va tavlanish haroratiga juda bog'liq. Ular teskari GMRni ham namoyish etishlari mumkin.^[32][43]

Ilovalar

Spin-valfli datchiklar

Umumiy tamoyil

Piter Grünberg tomonidan ishlab chiqilgan GMR sensori nusxasi

GMR materiallarining asosiy dasturlaridan biri magnit maydon sensorlarida, masalan, qattiq disk drayvlarida^[25] va biosensorlar,^[31] shuningdek, MEMS dagi tebranish detektorlari.^[31] GMR-ga asoslangan odatiy datchik etti qatlamdan iborat:

1. Silikon substrat,
2. Birlashtiruvchi qatlam,
3. Sensorli (fiksatsiz) qatlam,
4. Magnit bo'lmagan qatlam,
5. Ruxsat etilgan qatlam,
6. Antiferromagnitik (pinning) qatlami,
7. Himoya qatlami.

Birlashtiruvchi va himoya qatlamlari ko'pincha tayyorlanadi tantal va odatdagi magnit bo'lmagan material misdir. Sensor qatlamida magnitlanish tashqi magnit maydon tomonidan qayta yo'naltirilishi mumkin; u odatda NiFe yoki kobalt qotishmalaridan tayyorlanadi. FeMn yoki NiMn antiferromagnit qatlam uchun ishlatilishi mumkin. Ruxsat etilgan qatlam kobalt kabi magnit materialdan tayyorlangan. Magnit sifatida qattiq, sobit qatlam borligi sababli bunday datchik assimetrik histerez tsikliga ega.^[44][45]

Spin klapanlar anizotrop magnetoresoresistentlikni namoyon qilishi mumkin, bu esa sezgirlik egri chizig'ida assimetriyaga olib keladi.^[46]

Qattiq disklar

Yilda qattiq disk drayverlari (HDD), ma'lumotlar yordamida kodlangan magnit domenlar, va ularning magnitlanishi yo'nalishi o'zgarishi 1-mantiqiy daraja bilan bog'liq bo'lib, hech qanday o'zgarish mantiqiy 0ni bildirmaydi. Yozuvning ikkita usuli bor: bo'ylama va perpendikulyar.

Uzunlamasına usulda magnitlanish sirt uchun normaldir. Magnit maydon materialdan chiqib ketadigan domenlar o'rtasida o'tish davri (domen devorlari) hosil bo'ladi. Agar domen devori ikkita shimoliy qutb domenlari interfeysida joylashgan bo'lsa, u holda maydon tashqi tomonga, ikkita janubiy qutbli domenlar uchun esa ichki tomonga yo'naltiriladi. Magnit maydonning domen devori ustidagi yo'nalishini o'qish uchun magnitlanish yo'nalishi antiferromagnit qatlamdagi yuzaga normal va sezgir qatlamdagi yuzaga parallel ravishda o'rnatiladi. Tashqi magnit maydonning yo'nalishini o'zgartirish sezgir qatlamdagi magnitlanishni chetga suradi. Maydon sezgir va qattiq qatlamlarda magnitlanishlarni tekislashga intilganda, sensorning elektr qarshiligi pasayadi va aksincha.^[47]

Magnit RAM

MRAM-da aylanadigan valfdan foydalanish. 1: xotira xujayrasi sifatida aylanadigan valf (o'qlar ferromagnitik qatlamlar mavjudligini bildiradi), 2: satr chizig'i, 3: ustunli chiziq. O'qli ellipslar elektr toki o'tayotganda qator va ustun chiziqlari atrofidagi magnit maydon chiziqlarini bildiradi.

Ning hujayrasi magnetoresistiv tasodifiy kirish xotirasi (MRAM) spin-valve sensoriga o'xshash tuzilishga ega. Saqlangan bitlarning qiymati datchik qatlamidagi magnitlanish yo'nalishi orqali kodlanishi mumkin; u strukturaning qarshiligini o'lchash orqali o'qiladi. Ushbu texnologiyaning afzalliklari elektr ta'minotining mustaqilligi (magnitlanishni qayta yo'naltirish uchun potentsial to'siq tufayli quvvat o'chirilganda ma'lumotlar saqlanib qoladi), kam quvvat sarfi va yuqori tezlikdir.^[25]

Oddiy GMR asosidagi saqlash birligida CIP tuzilishi bir-biriga perpendikulyar yo'naltirilgan ikkita sim o'rtasida joylashgan. Ushbu o'tkazgichlar qatorlar va ustunlar chiziqlari deb ataladi. Chiziqlar orqali o'tadigan elektr tokining zarbalari girdobli magnit maydon hosil qiladi, bu GMR tuzilishiga ta'sir qiladi. Maydon chiziqlari ellipsoid shakllariga ega va maydon yo'nalishi (soat yo'nalishi bo'yicha yoki soat sohasi farqli o'laroq) chiziqdagi oqim yo'nalishi bo'yicha aniqlanadi. GMR strukturasida magnitlanish chiziq bo'ylab yo'naltirilgan.

Ustun chizig'i tomonidan hosil qilingan maydon yo'nalishi magnit momentlarga deyarli parallel va ularni qayta yo'naltirish mumkin emas. Qatorning chizig'i perpendikulyar va maydon kattaligidan qat'iy nazar magnitlanishni atigi 90 ° aylantirishi mumkin. Qator va ustun chiziqlari bo'ylab impulslarning bir vaqtning o'zida o'tishi bilan GMR konstruktsiyasi joylashgan umumiy magnit maydon bir nuqtaga nisbatan keskin burchakka va boshqalarga tekislikka yo'naltiriladi. Agar maydon qiymati ba'zi bir muhim qiymatdan oshsa, ikkinchisi o'z yo'nalishini o'zgartiradi.

Ta'riflangan katakchani saqlash va o'qishning bir necha usullari mavjud. Bir usulda ma'lumot sezgir qatlamda saqlanadi; u qarshilik o'lchovi orqali o'qiladi va o'qilgandan so'ng o'chiriladi. Boshqa bir sxemada ma'lumot sobit qatlamda saqlanadi, bu o'qish oqimlari bilan taqqoslaganda yuqori yozish oqimlarini talab qiladi.^[48]

Tunnel magnetoresistance (TMR) - bu spin-valfli GMR kengaytmasi bo'lib, unda elektronlar o'z spinlari bilan qatlamlarga perpendikulyar ravishda yo'naltirilgan holda yupqa izolyatsion tunnel to'sig'i bo'ylab harakatlanadi (ferromagnit bo'lmagan oraliqni almashtiradi). Bu kattaroq impedansga erishishga imkon beradi magnetoresistance qiymati (xona haroratida ~ 10x) va ahamiyatsiz haroratga bog'liqlik. TMR endi GMRni MRAM-larda almashtirdi va disk drayverlari, xususan, maydonning zichligi va perpendikulyar yozuv uchun.^[49]

Boshqa dasturlar

Elektr zanjirlarining ikkita elektr izolyatsiya qilingan qismlari orasidagi uzluksiz signal uzatish uchun magnetoresistiv izolyatorlar birinchi marta 1997 yilda alternativ sifatida namoyish etilgan opto-izolyatorlar. A Wheatstone ko'prigi to'rtta GMR moslamasining bir tekis magnit maydoniga befarq va faqat maydon yo'nalishlari ko'prikning qo'shni qo'llarida antiparallel bo'lganda reaksiyaga kirishadi. Bunday qurilmalar 2003 yilda xabar qilingan va chiziqli chastota ta'siriga ega rektifikator sifatida ishlatilishi mumkin.^[31]

Izohlar

Iqtiboslar

Bibliografiya

Tashqi havolalar

• Giant Magnetoresistance: The Really Big Idea Behind a Very Tiny Tool Milliy yuqori magnit maydon laboratoriyasi
• Presentation of GMR-technique (IBM Research)