مقاومت مغناطیسی بزرگ

مقاومت مغناطیسی بزرگ(غول‌پیکر) یا GMR، یک اثر مقاومت‌مغناطیسی مکانیک‌کوانتومی است که در لایه‌های تشکیل‌شده رسانای متناوب فرومغناطیسی و غیرمغناطیسی مشاهده شده است. جایزه نوبل سال ۲۰۰۷ فیزیک با این کشف به آلبر فر و پتر گرونبرگ رسید.

این اثر بسته به اینکه مغناطش لایه‌های فرومغناطیسی مجاور در یک مسیر موازی یا ضدموازی باشد، به شکل یک تغییر قابل‌توجه در مقاومت‌الکتریکی مشاهده می‌شود. مقاومت کلی برای مسیر موازی نسبتاً کم و برای مسیر ضد موازی نسبتاً زیاد است. جهت مغناطیس‌سازی می تواند کنترل شود، به عنوان مثال، با استفاده از یک میدان مغناطیسی خارجی این کار ممکن است. این اثر مبتنی بر وابستگی پراکندگی الکترون به جهت‌گیری اسپین است.

کاربرد اصلی GMR در سنسورهای میدان مغناطیسی برای خواندن داده‌ها در درایوهای دیسک، حسگرهای زیستی، سامانه‌های میکروالکترومکانیکی و دیگر دستگاه‌ها است.[1] مقاومت مغناطیسی غول‌پیکر همچنین در حافظه مغناطیسی دسترسی تصادفی به عنوان سلول‌هایی که یک بیت اطلاعات را ذخیره می کنند، استفاده می‌شود.

در نوشتار گاهی اصطلاح مغناطیسی غول پیکر با مقاومت مغناطیسی عظیم نیمه هادی‌های فرو مغناطیسی و ضدمغناطیسی اشتباه گرفته می‌شود، که مربوط به ساختار چندلایه نیست.[2][3]

تغییر در مقاومت ابر شبکه‌های Fe / Cr در میدان مغناطیسی خارجی H در دمای۴,۲ کلوین.جریان و میدان مغناطیسی با محور [110] موازی است. پیکان سمت راست حداکثر تغییر مقاومت را نشان می‌دهد.

فرمول‌بندی

مقاومت‌مغناطیسی وابستگی مقاومت‌الکتریکی نمونه به قدرت یک میدان مغناطیسی خارجی است. که از نظر عددی ، با مقدار ${\displaystyle \delta _{H}={\frac {R(H)-R(0)}{R(0)}}}$ مشخص می‌شود.

که در آن (R (H مقاومت نمونه در یک میدان‌مغناطیسی H است و (R (0 مربوط به H = 0 است.[4] در اشکال جایگزین این عبارت، ممکن است از مقاومت‌الکتریکی به جای مقاومت استفاده کنند که یک علامت متفاوت برای δH دارد[5] و بعضی‌اوقات هم (R (H به جای (R (0 در مخرج دیده می شود.[6]

اصطلاح "مقاومت‌مغناطیسی غول‌پیکر" نشان می‌دهد که مقدار δ برای ساختارهای چند لایه به طور قابل‌توجهی از مقاومت‌مغناطیسی ناهمسانگرد فراتر است.این مقدار در حالت معمولی درحدود چند درصد است.[7][8]

تاریخچه

GMR در سال ۱۹۸۸ بطور مستقل توسط گروه‌های آلبر فر از دانشگاه پاریس-سود ، فرانسه و پتر گرونبرگ در آلمان کشف شد.[9][10] اهمیت عملی این کشف تجربی عامل دریافت جایزه نوبل فیزیک برای فر و گرونبرگ در سال ۲۰۰۷ بود.[11]

مراحل اولیه

اولین مدل ریاضی توصیف اثر مغناطش بر تحرک حامل‌های بار در مواد جامد، مربوط به اسپین آن حامل‌ها، در سال ۱۹۳۶ گزارش شد. شواهد تجربی از افزایش بالقوه δH از دهه ۱۹۶۰ شناخته شده است. در اواخر دهه ۱۹۸۰،[12][13] مقاومت مغناطیسی دارای خواص متغیر به خوبی کشف شده بود، اما مقدار مربوط به δH از چند درصد تجاوز نکرد.[7] افزایش δH با ظهور تکنیک های آماده سازی نمونه مانند برآرایی پرتو-مولکولی امکان پذیر شد، که امکان تولید غشاهای نازک چندلایه با ضخامت چندین نانومتر را می‌دهد.[14]

آزمایش و تفسیر آن

فر و گرونبرگ مقاومت الکتریکی ساختارهای دارای مواد فرو مغناطیسی و غیرفرومغناطیسی را مطالعه کردند. به طور خاص، فر روی غشاهای چندلایه کار کرد و گرونبرگ در سال ۱۹۸۶ فعل‌وانفعال تبادل ضدفرومغناطیسی را در غشاهای Fe / Cr کشف کرد.[14]

کار کشف GMR توسط دو گروه روی نمونه‌های با اندکی تفاوت انجام شد. گروه فر از ابرشبکه‌های Fe/${\displaystyle {\bigl (}001{\bigr )}}$Cr${\displaystyle {\bigl (}001{\bigr )}}$ استفاده کرد که در آن لایه های Fe و Cr در یک خلا زیاد بر روی یک بستر گالیم‌آرسنید در ۲۰ درجه سانتی‌گراد نگهداری شده و اندازه گیری‌های مقاومت مغناطیسی در دمای پایین انجام شد(به طور معمول ۴,۲ کلوین).[10] کار گرونبرگ بر روی چندلایه‌ای‌های Fe و Cr بر روی گالیم‌آرسنید در دمای اتاق انجام شد.[9]

در چندلایه‌ای‌های Fe / Cr با لایه‌های آهن به ضخامت ۳ نانومتر، افزایش ضخامت لایه‌های غیرمغناطیسی Cr از ۰,۹به ۳ نانومتر باعث ضعیف شدن اتصال ضدفرومغناطیسی بین لایه‌های Fe شده و کاهش میدان مغناطیس‌زدايی را نتیجه می‌دهد. و همچنین با گرم شدن نمونه از ۴,۲ کلوین به دمای اتاق این مورد دوباره کاهش می‌یابد. تغییر ضخامت لایه‌های غیرمغناطیسی منجر به کاهش قابل‌توجهی از مغناطش باقی‌مانده در حلقه‌پسماند می‌شود. مقاومت الکتریکی با میدان مغناطیسی خارجی در ۴,۲ کلوین تا ۵۰% تغییر می‌کند. فر این اثر جدید را به عنوان مغناطیسی‌غول‌پیکر نامید تا تفاوت آن را با مقاومت‌مغناطیسی ناهمسانگرد برجسته کند.[15][10] آزمایش گرونبرگ[9] همان کشف را نتیجه داد، اما به دلیل قرار گرفتن نمونه‌ها در دمای اتاق و نه دمای پایین ، اثر آن کمتر برجسته بود (۳% در مقایسه با ۵۰%).

کاشفان پیشنهاد کردند که این اثر مبتنی بر الکترون‌های وابسته به اسپین در ابرشبکه‌ها است و به ویژه به مقاومت لایه‌ها به جهت‌گیری‌های نسبی مغناطش و اسپین الکترون وابسته است.[10][9] در سال ۱۹۸۹ ، کملی و بارناس هندسه "جریان در صفحه" (CIP) را محاسبه کردند، جایی که جریان در امتداد لایه‌ها جریان می‌یابد،[16] در حالی که در تقریب کلاسیک، لوی از فرمالیسم‌کوانتومی استفاده کرد.[17] نظریه GMR برای جریان عمود بر لایه‌ها (جریان عمود بر صفحه یا هندسه CPP) ، معروف به نظریه والت-فرت ، در سال ۱۹۹۳ گزارش شد.[18] کاربردها و درخواست‌ها هندسه CPP را ترجیح می‌دهند[19] زیرا مقاومت مغناطیسی بیشتری (δH) را فراهم می کند[20] و منجر به حساسیت بیشتر دستگاه می‌شود.[21]

تئوری

مبانی

انبوهی الکترونیکی حالت‌ها(فاز‌های ماذه) (DOS) در فلزات مغناطیسی و غیرمغناطیسی. 1: ساختار دو لایه فرومغناطیسی و یک لایه غیرمغناطیسی (فلش ها جهت مغناطش را نشان می دهد). 2: تقسیم DOS برای الکترونهایی با جهت چرخش متفاوت برای هر لایه (فلش‌ها جهت چرخش را نشان می‌دهند). F: تراز فرمی. گشتاور مغناطیسی مخالف جهت چرخش کل در تراز فرمی است.

پراکندگی وابسته به چرخش

در مواد مرتب‌شده مغناطیسی، مقاومت‌الکتریکی به‌دلیل پراکندگی الکترون‌ها در زیرشبکه‌مغناطیسی کریستال، که توسط اتم‌های معادل به‌شکل کریستالوگرافی با گشتاورهای‌مغناطیسی غیر‌صفر تشکیل می‌شود، تأثیر اساسی دارد. پراکندگی به جهت‌گیری‌های نسبی چرخش الکترون و گشتاورهای‌مغناطیسی آن بستگی دارد: وقتی موازی هستند ضعیف‌ترین است و وقتی موازی نیستند در قوی‌ترین حالت است. در حالت پارامغناطیسی، که در آن گشتاورمغناطیسی اتم‌ها جهت‌گیری تصادفی دارند، نسبتاً قوی است.[22][7]

مس (فلز غیر مغناطیسی). F - تراز فرمی. محور عمودی انرژی در eV است.نظریه نوارها (چپ) و تراکم حالت‌ها (راست)

برای هادی‌های خوب مانند طلا یا مس، تراز فرمی در لایه sp قرار دارد و لایه d کاملاً پر می شود. در فرومغناطیس‌ها وابستگی پراکندگی اتم-الکترون در جهت گشتاورهای مغناطیسی آنها ، مربوط به پر شدن لایه مسئول خواص مغناطیسی فلز است. تراز فرمی برای اکثریت اسپین الکترون‌ها در لایه sp قرار دارد و انتقال آن‌ها در فرومغناطیس و فلزات غیرمغناطیسی مشابه است. برای اقلیت اسپین الکترون‌ها، لایه‌های sp و d ترکیبی(هیبریداسیون شده) هستند و تراز فرمی در لایه d قرار دارد. لایه spd ترکیبی دارای تراکم بالایی از حالت‌ها است ، که منجر به پراکندگی قوی‌تر و در نتیجه کوتاه‌تر بودن مسیر آزاد λ برای اقلیت-اسپین نسبت به اکثریت-اسپین الکترون‌ها می‌شود. در نیکل دوپ شده با کبالت، نسبت ${\displaystyle \lambda _{\uparrow }/\lambda _{\downarrow }}$ می‌تواند به 20 برسد.[23]

کبالت (اسپین اکثریت)نظریه نوارها (چپ) و تراکم حالت‌ها (راست)

طبق مدل دروده، رسانایی متناسب با λ است که از چند تا چند ده نانومتر در غشا‌های فلزی نازک متغیر است. الکترون‌ها جهت چرخش را طول آرامش چرخشی (یا طول انتشار چرخش) به اصطلاح "به خاطر می آورند" ، که می تواند به طور قابل‌توجهی از میانگین مسیر آزاد فراتر رود. حمل و نقل چرخش-وابسته به وابستگی هدایت الکتریکی به جهت چرخش حامل های بار اشاره دارد که در فرومغناطیس‌ها، به دلیل انتقال الکترون بین 4s تقسیم نشده و لایه‌های 3d تقسیم شده رخ می دهد.[7]

کبالت (اسپین اقلیت)نظریه نوارها (چپ) و تراکم حالت‌ها (راست)

در برخی از مواد، فعل‌وانفعال بین الکترون‌ها و اتمها وقتی که گشتاورهای‌مغناطیسی آنها بیشتر از موازی ضدموازی باشد در ضعیف‌ترین حالت است. ترکیبی از هر دو نوع مواد می تواند منجر به اثر معکوس GMR شود.[24][7]

هندسه‌های CIP و CPP

دریچه‌های اسپینی در سر خواندن سنسور در هندسه‌های CIP (چپ) و CPP (راست).قرمز: جریان را به حسگر منتقل می کندسبز و زرد: لایه‌های فرومغناطیسی و غیرمغناطیسی V: اختلاف پتانسیل

جریان الكتریكی به دو طریق می تواند از طریق ابرشبكه‌های مغناطیسی عبور كند. جریان در صفحه (CIP)، در امتداد لایه‌ها جریان می‌یابد و الکترودها در یک طرف ساختار قرار دارند یا جریان عمود بر پیکربندی صفحه (CPP) ، که جریان عمود بر لایه‌ها عبور می‌کند و الکترودها در دو طرف مختلف ابرشبکه قرار دارند.[7] هندسه CPP از دو برابر GMR بالاتر است، اما تحقق آن در عمل دشوارتر از پیکربندی CIP است.[25][26]

انتقال حامل از طریق یک ابرشبکه مغناطیسی

ترتیب مغناطیسی در ابرشبکه‌ها با برهم‌کنش فرومغناطیسی و ضدفرومغناطیسی بین لایه‌ها متفاوت است. در حالت اول ، جهت‌های مغناطش در لایه‌های مختلف فرومغناطیسی در غیاب میدان‌مغناطیسی اعمال شده یکسان است، درحالی‌که در حالت دوم، جهت‌های مخالف در چندلایه‌ متناوب هستند. الکترون‌هایی که از طریق ابرشبکه مغناطیسی عبور می‌کنند نسبت به حالت موازی بودن آن بسیار ضعیف‌تر عمل می‌کنند درحالی‌که جهت چرخش آن‌ها مخالف مغناطش شبکه است. چنین ناهمسانگردی برای ابرشبکه مغناطیسی مشاهده نمی‌شود. در نتیجه، الکترون‌ها را قوی‌تر از ابرشبکه‌های مغناطیسی پراکنده می کند و مقاومت‌الکتریکی بالاتری از خود نشان می‌دهد.[7]

کاربردهای اثر GMR نیاز به جابجایی دینامیکی بین مغناطش موازی و ضدموازی لایه‌ها در یک ابرشبکه دارد. در تقریب اول، چگالی انرژی فعل‌وانفعال بین دو لایه فرومغناطیسی جدا شده توسط یک لایه غیرمغناطیسی متناسب با ضرب اسکالر مغناطش آنها است و می‌توان آن‌ را به‌شکل ${\textstyle w=-J(\mathbf {M} _{1}\cdot \mathbf {M} _{2})}$ نوشت.

ضریب J یک تابع نوسانی از ضخامت لایه غیرمغناطیسی ds است. بنابراین J می‌تواند اندازه و علامت خود را تغییر دهد. اگر مقدار ds با حالت ضدموازی مطابقت داشته باشد ، یک میدان‌خارجی می‌تواند ابرشبکه را از حالت ضدموازی (مقاومت بالا) به حالت موازی (مقاومت کم) تبدیل کند. مقاومت کل ساختار را می‌توان به صورت ${\displaystyle R=R_{0}+\Delta R\sin ^{2}{\frac {\theta }{2}}}$ نوشت.

بطوری که R0 مقاومت ابرشبکه مغناطیسی است ، ΔR میزان افزایش GMR است و θ زاویه بین مغناطش لایه های مجاور است.[25]

شرح ریاضی

پدیده GMR را می‌توان با استفاده از دو مجرای اسپین-وابسته به رسانایی الکترون توصیف کرد که مقاومت در آن‌ها حداقل یا حداکثر است. رابطه بین آن‌ها اغلب از نظر ضریب ناهمسانگردی چرخش β تعریف می‌شود. این ضریب را می توان با استفاده از حداقل و حداکثر مقاومت‌الکتریکی ویژه ${\displaystyle \rho _{F\pm }}$ برای جریان قطبش چرخشی به‌شکل ${\displaystyle \rho _{F\pm }={\frac {2\rho _{F}}{1\pm \beta }}}$ نوشت.

جایی که ρF مقاومت متوسط فرومغناطیس است.[27]

مدل مقاومت برای ساختارهای CIP و CPP

اگر پراکندگی حامل‌های بار در رابط بین فلز فرومغناطیسی و غیرمغناطیسی کم باشد و جهت اسپین الکترون به اندازه کافی طولانی شود، مناسب است که مدلی را در نظر بگیرید که در آن مقاومت کل نمونه ترکیبی از مقاومت در برابر لایه‌های مغناطیسی و غیرمغناطیسی است.

در این مدل، دو پیوند رسانایی برای الکترون‌ها با جهت چرخش مختلف نسبت به مغناطش لایه‌ها وجود دارد. بنابراین، مدار معادل ساختار GMR از دو اتصال موازی متناظر با هر یک از کانال‌ها تشکیل شده است. در این حالت می توان GMR را به صورت زیر بیان کرد.

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

تحت شرایط ${\displaystyle \chi \rho _{N}\ll \rho _{F\pm }}$ رابطه می‌تواند ساده شود با استفاده از ضریب عدم تقارن اسپین رابطه به شکل ${\displaystyle \delta _{H}={\frac {\beta ^{2}}{1-\beta ^{2}}}}$ در می‌آید.[28]

مدل والت-فر

در سال 1993 ، تیری والت و آلبر فر بر اساس معادلات بولتسمان مدلی را برای مقاومت‌مغناطیسی غول‌پیکر در هندسه CPP ارائه دادند. در این مدل پتانسیل‌شیمیایی درون لایه مغناطیسی به دو تابع تقسیم می‌شود که تفاوت این دو تابع مربوط به الکترون‌های دارای چرخش‌های موازی و ضدموازی مغناطش لایه است. اگر لایه غیرمغناطیسی به اندازه کافی نازک باشد، در میدان خارجی ${\displaystyle E_{0}}$ ، اصلاحات پتانسیل‌الکتروشیمیایی و میدان در داخل نمونه شکل می‌گیرد و خواهیم داشت:

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

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

جایی که ${\displaystyle _{s}}$ℓ متوسط طول زمان استراحت اسپین-اسپین است و مختصات z از مرز بین لایه های مغناطیسی و غیرمغناطیسی اندازه گیری می شود (z <0 مربوط به فرومغناطیسی است).[18] بنابراین الکترون‌هایی با پتانسیل‌شیمیایی بیشتر در مرز فرومغناطیسی تجمع می‌یابند.[29] این را می‌توان با پتانسیل تجمع چرخشی Vas یا به اصطلاح مقاومت رابط (مرز بین فرومغناطیسی و ماده غیرمغناطیسی) نشان داد.

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

که j تراکم جریان در نمونه است، ${\displaystyle _{N}}$ℓs و ${\displaystyle _{F}}$ℓs به ترتیب زمان استراحت اسپین-اسپین در مواد غیرمغناطیسی و مغناطیسی هستند.[30]

آماده‌سازی دستگاه

مواد و داده‌های تجربی

بسیاری از ترکیبات مواد GMR را نشان می‌دهند[31] و متداول‌ترین آنها به شرح زیر است:

1. FeCr[10]
2. Co₁₀Cu₉₀: δ_H = ۴۰% (در دمای اتاق)[32]
3. Co₉₅Fe₅/Cu: δ_H = ۱۱۰% (در دمای اتاق)[31]

مقاومت‌مغناطیسی به پارامترهای زیادی مانند هندسه دستگاه (CIP یا CPP) ، دما و ضخامت لایه‌های فرومغناطیسی و غیرمغناطیسی بستگی دارد. در دمای ۴,۲ کلوین و ضخامت لایه های کبالت ۱.۵ نانومتر ، افزایش ضخامت لایه‌های مس dCu از ۱ به ۱۰ نانومتر باعث کاهش δH از ۸۰ به ۱۰ درصد در هندسه CIP شد. در همین حال، در هندسه CPP حداکثر (δH (۱۲۵٪ برای dCu = ۲.۵ نانومتر مشاهده شد و افزایش dCu به ۱۰ نانومتر باعث کاهش نوسانی δH به ۶۰٪ شد.[33]

هنگامی که یک ابر شبکه (نانومترCo (۱.۲ / (نانومترCu (۱.۱ از صفر تا ۳۰۰ کلوین گرم می‌شد ، δH آن از ۴۰ به ۲۰ درصد در هندسه CIP و از ۱۰۰ به ۵۵ درصد در هندسه CPP کاهش یافته است.[34]

لایه‌های غیرمغناطیسی می‌توانند غیرفلزی باشند. به عنوان مثال ، δH تا ۴۰ درصد برای لایه‌های آلی در ۱۱ کلوین نشان داده شد.[35] دریچه‌های اسپینی گرافن از طرح‌های مختلف، δH را در حدود ۱۲ درصد در ۷ کلوین و ۱۰ درصد در ۳۰۰ کلوین، بسیار پایین تر از حد نظری ۱۰۹ درصد به نمایش گذاشته‌اند.[36]

اثر GMR را می‌توان با فیلترهای چرخشی که الکترون‌هایی با جهت چرخش خاص انتخاب می‌کنند، افزایش داد. آن‌ها از فلزاتی مانند کبالت ساخته شده‌اند. برای یک فیلتر به ضخامت t ، تغییر در رسانایی ΔG می‌تواند به صورت ${\displaystyle \Delta G=\Delta G_{SV}+\Delta G_{f}(1-e^{\beta t/\lambda })}$ بیان شود.

که ${\displaystyle _{s}{}_{v}}$ΔG تغییر در رسانایی دریچه چرخشی بدون فیلتر است ، ${\displaystyle _{f}}$ΔG حداکثر افزایش رسانایی با فیلتر است و β یک پارامتر از ماده فیلتر است.[37]

ابرشبکه های ضدفرومغناطیسی

GMR در غشاها برای اولین بار توسط فر و گرونبرگ در مطالعه ابرشبکه‌هاي تشکیل شده از لایه‌های فرومغناطیسی و غیرمغناطیسی مشاهده شد. ضخامت لایه‌های غیرمغناطیسی به گونه‌ای انتخاب شد که اثر متقابل بین لایه‌ها ضدمغناطیسی و مغناطش در لایه‌های مغناطیسی مجاور ضدموازی باشد. سپس یک میدان مغناطیسی خارجی می‌تواند بردارهای‌مغناطیسی را به موازات خود تحت تأثیر مقاومت‌الکتریکی ساختار قرار دهد.[10]

لایه‌های مغناطیسی در چنین ساختارهایی از طریق اتصال ضدفرومغناطیسی برهمکنش می‌کنند، که منجر به وابستگی نوسانی GMR به ضخامت لایه غیرمغناطیسی می‌شود. در اولین سنسورهای میدان مغناطیسی با استفاده از ابرشبکه‌های ضدفرومغناطیسی، به دلیل فعل‌وانفعال ضدمغناطیسی قوی بین لایه‌های آن‌ها (ساخته شده از کروم ، آهن یا کبالت) و زمینه های ناهمسانگردی قوی در آن‌ها، میدان اشباع بسیار زیاد بود. بنابراین حساسیت دستگاه ها بسیار کم بود. بنابراین حساسیت دستگاه‌ها بسیار کم بود. استفاده از پرمالوی برای مغناطیسی و نقره برای لایه‌های غیرمغناطیسی باعث کاهش میدان اشباع به ده‌ها اورستد شد.[38]

دریچه‌های چرخشی با استفاده از تعویض

راز موفق‌ترین دریچه‌های چرخشی اثر GMR از تحت تاثیر قرار دادن مبادله نشات می‌گیرد. آنها شامل لایه حساس، لایه ثابت و لایه ضدفرومغناطیسی هستند. آخرین لایه جهت مغناطش را در لایه ثابت مسدود می‌کند. لایه‌های حساس و ضدمغناطیسی برای کاهش مقاومت ساختار نازک ساخته می‌شوند. دریچه با تغییر جهت مغناطیس در لایه حساس نسبت به لایه ثابت، به میدان مغناطیسی خارجی واکنش نشان می‌دهد.[39]

تفاوت اصلی این دریچه‌های چرخشی از سایر دستگاه‌های GMR چندلایه وابستگی یکنواخت دامنه اثر بر ضخامت ${\displaystyle _{N}}$d لایه‌های غیرمغناطیسی است:

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

جایی که ${\displaystyle _{H}{}_{0}}$δ یک ثابت عادی است، ${\displaystyle _{N}}$λ متوسط مسیر آزاد الکترون‌ها در ماده غیرمغناطیسی است و d0 ضخامت موثری است که شامل فعل‌وانفعال بین لایه‌ها است.[38][40]وابستگی به ضخامت لایه فرومغناطیسی می‌تواند به شرح زیر باشد:

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

معنی این پارامترها درست مانند معادله قبلی است، اما اکنون آن‌ها به لایه فرومغناطیسی اشاره دارند.[41]

چند لایه‌ای بدون فعل‌وانفعال

‌GMR همچنین می‌تواند در صورت عدم وجود اتصال لایه‌های ضدفرومغناطیسی مشاهده شود. در این حالت، مقاومت مغناطیسی ناشی از اختلاف در نیروهای وادارندگی است (به عنوان مثال ، برای آلومینیوم نسبت به کبالت کوچکتر است). در چندها لایه مانند پرمالوی/ Cu / Co / Cu میدان مغناطیسی خارجی جهت مغناطش اشباع را به حالت موازی در میدان‌های قوی و به ضدموازی در زمینه‌های ضعیف تغییر می‌دهد.[39] چنین سیستم هایی دارای یک میدان اشباع پایین تر و δH بزرگتر از ابرشبکه‌های با اتصال ضدفرومغناطیسی هستند. یک اثر مشابه در ساختارهای Co / Cu مشاهده می شود. وجود این ساختارها به این معنی است که GMR به اتصال بین لایه‌ای احتیاج ندارد و می‌تواند از توزیع گشتاورهای مغناطیسی قابل کنترل توسط یک میدان‌خارجی نشات بگیرد.[41]

اثر معکوس GMR

در GMR معکوس، مقاومت جهت غیرموازی مغناطش در لایه‌ها حداقل است. GMR معکوس هنگامی مشاهده می‌شود که لایه‌های مغناطیسی از مواد مختلفی مانند NiCr / Cu / Co / Cu تشکیل شده باشد. مقاومت برای الکترون‌هایی که دارای اسپین مخالف هستند را می‌توان به صورت ${\displaystyle \rho _{\uparrow ,\downarrow }={\frac {2\rho _{F}}{1\pm \beta }}}$ نوشت؛ زیرا دارای مقادیر مختلف است، به عنوان مثال ضرایب مختلف β ، برای الکترون های اسپین-بالا و اسپین-پایین است. اگر لایه NiCr خیلی‌نازک نباشد ، ممکن است سهم آن از لایه Co بیشتر شود و نتیجه آن GMR معکوس می‌شود.[24] توجه داشته باشید که وارونگی GMR به علامت حاصل از ضرایب β در لایه‌های فرو مغناطیسی مجاور بستگی دارد و به علائم ضرایب تک بستگی ندارد.[34]

اگر آلیاژ NiCr با دوپ شده وانادیوم جایگزین شود،GMR معکوس مشاهده می‌شود.[42]

GMR در ساختارهای دانه‌دانه

GMR در آلیاژهای دانه‌ای فلزات فرومغناطیسی و غیرمغناطیسی در سال ۱۹۹۲ کشف شد و متعاقباً توسط پراکندگی حامل‌های بار وابسته به اسپین در سطح و قسمت عمده دانه‌ها توضیح داده شد. دانه‌ها خوشه‌های فرومغناطیسی با قطر حدود ۱۰ نانومتر را در یک فلز غیرمغناطیسی جاسازی شده تشکیل می‌دهند و نوعی ابرشبکه را تشکیل می‌دهند. یک شرط لازم برای اثر GMR در چنین ساختارهایی حلالیت متقابل ضعیف در اجزای آن است (به عنوان مثال، کبالت و مس). خواص آن‌‎ها به شدت به اندازه‌گیری و دمای گرم کردن بستگی دارد. آن‌ها همچنین می‌توانند GMR معکوس از خود نشان دهند.[43][32]

کاربرد‌ها

اصل کلی

یکی از کاربردهای اصلی مواد GMR در سنسورهای میدان‌مغناطیسی است ، به عنوان مثال، در دیسک درایوها[25]، حسگرهای زیستی[31] و همچنین آشکارسازهای نوسانات در MEMS.[31] یک سنسور معمولی مبتنی بر GMR از هفت لایه تشکیل شده است:

یک نمونه از سنسور GMR که توسط گرونبرگ ساخته شده است.

1. بستر سیلیکون
2. لایه اتصال دهنده
3. لایه حسگر (غیر ثابت)
4. لایه غیرمغناطیسی
5. لایه ثابت
6. لایه ضدفرومغناطیسی
7. لایه محافظ

لایه‌های اتصال دهنده و محافظ اغلب از تانتال ساخته می‌شوند و یک ماده غیرمغناطیسی که به‌طور معمول مس است. لایه حسگر، مغناطش می‌تواند توسط میدان مغناطیسی خارجی تغییر جهت یابد که به طور معمول از آلیاژهای NiFe یا کبالت ساخته می‌شود. از FeMn یا NiMn می‌توان برای لایه ضدفرومغناطیسی استفاده کرد. لایه ثابت از ماده مغناطیسی مانند کبالت ساخته شده است. چنین حسگری به دلیل وجود لایه ثابت و سخت مغناطیسی دارای یک حلقه هیسترزیس نامتقارن است.[44][45]

دریچه های چرخشی ممکن است مقاومت ناهمسانگرد را نشان دهند ، که منجر به عدم تقارن منحنی حساسیت می شود.[46]

درایوهای دیسک

در درایوهای دیسک (HDD) ، اطلاعات با استفاده از حوزه‌های‌مغناطیسی کدگذاری می‌شوند، و تغییر جهت مغناطش آن‌ها با سطح، یک منطقی است، در حالی که اگر هیچ تغییری نشان ندهند صفر منطقی است.

دو روش ضبط وجود دارد: طولی و عمود.

در روش طولی ، مغناطش بر سطح عمود است. بین حوزه‌ها یک منطقه انتقال (دیواره‌های حوزه) تشکیل می‌شود که در آن میدان مغناطیسی از ماده خارج می‌شود. اگر دیواره‌های حوزه در رابط دو حوزه به جهت قطب شمال واقع شده باشد، میدان به سمت بیرون هدایت می‌شود و برای دو حوزه قطب جنوب به سمت داخل هدایت می‌شود. برای خواندن جهت میدان‌مغناطیسی بالای دیواره حوزه، جهت مغناطیسی به صورت عمود به سطح در لایه ضدمغناطیسی و به موازات سطح در لایه حسگر ثابت می‌شود. تغییر جهت میدان مغناطیسی خارجی باعث منحرف شدن مغناطش در لایه حسگر می‌شود. وقتی میدان می‌خواهد مغناطش را در لایه های حسگر و ثابت تراز کند، مقاومت الکتریکی سنسور کاهش می یابد و بالعکس.[47]

RAM مغناطیسی

یک سلول از حافظه دسترسی-تصادفی مغناطومقاومت (MRAM) ساختاری شبیه به سنسور چرخشی دارد. مقدار بیت‌های ذخیره شده را می‌توان از طریق جهت مغناطش در لایه حسگر رمزگذاری کرد که با اندازه‌گیری مقاومت ساختار خوانده می‌شود. از مزایای این فناوری می‌توان به استقلال منبع تغذیه (اطلاعات هنگام قطع شدن برق به دلیل وجود سد احتمالی جهت تغییر جهت مغناطیس حفظ می‌شود)، مصرف کم انرژی و سرعت زیاد اشاره کرد.[25]

در یک واحد ذخیره‌سازی معمولی مبتنی بر GMR، یک ساختار CIP بین دو سیم عمود بر یکدیگر قرار دارد. این هادی‌ها را خطوط ردیف و ستون می‌نامند. پالس‌های جریان الکتریکی عبوری از خطوط ، یک میدان مغناطیسی گردابی تولید می‌کنند، که بر ساختار GMR تأثیر می گذارد. خطوط میدان اشکال بیضی دارند و جهت میدان (در جهت عقربه های ساعت یا خلاف جهت عقربه های ساعت) با توجه به جهت جریان در خط تعیین می شود. در ساختار GMR ، مغناطش در امتداد خط قرار دارد.

جهت میدان تولید شده توسط خط ستون تقریباً موازی با گشتاورهای مغناطیسی است و نمی‌تواند آنها را از نو تغییر جهت دهد. خط ردیف عمود است و صرف نظر از اندازه میدان می‌تواند مغناطش را فقط ۹۰ درجه بچرخاند. با عبور همزمان پالس‌ها از امتداد خطوط ردیف و ستون، از میدان مغناطیسی کل در محل ساختار GMR با توجه به یک نقطه و یک مبهم به نقاط دیگر در یک زاویه حاد هدایت می‌شود. اگر مقدار میدان از مقداری حیاتی فراتر رود ، دومی جهت خود را تغییر می دهد.

چندین روش ذخیره و خواندن برای سلول توصیف شده وجود دارد. در یک روش، اطلاعات در لایه حسگر ذخیره می‌شود. از طریق اندازه‌گیری مقاومت خوانده می‌شود و با خواندن پاک می‌شود. در طرح دیگری، اطلاعات در لایه ثابت نگهداری می‌شود، که در مقایسه با جریان‌های خوانده شده ، به جریان‌های ضبط شده بالاتری نیاز دارد.[48]

مقاومت‌مغناطیسی تونل (TMR) گسترش سنسورهای چرخشی GMR است، که در آن الکترون‌ها با عبور از یک تونل عایق نازک چرخش خود را به طور عمود به دور لایه‌ها (جایگزین فاصله‌دهنده غیرفرومغناطیسی) انجام می‌دهند. این موضوع اجازه می‌دهد تا به یک امپدانس بزرگتر، مقدار مقاومت مغناطیسی بزرگتر و به یک وابستگی به درجه حرارت ناچیز برسیم. TMR اکنون جایگزین GMR در MRAM ها و درایو های دیسک شده است. از ویژگی آن‌ها می‌توان به چگالی سطحی زیاد و ثبت عمود اشاره کرد.[49]

کاربرد‌های دیگر

عایق‌های مغناطیسی برای انتقال بدون‌تماس سیگنال بین دو قسمت جدا شده الکتریکی از مدارهای‌الکتریکی برای اولین بار در سال ۱۹۹۷ به عنوان جایگزینی برای اپتوکوپلر نمایش داده شدند. یک پل ویتستون که از چهار دستگاه GMR یکسان تشکیل شده است، نسبت به یک میدان‌مغناطیسی یکنواخت حساس نیست و فقط هنگامی واکنش نشان می‌دهد که جهت‌های میدان در بازوهای همسایه پل ضدموازی باشد. چنین دستگاه‌هایی در سال ۲۰۰۳ گزارش شده و ممکن است به عنوان یکسو کننده با پاسخ فرکانس خطی استفاده شوند.[31]

تقاضاهای آینده

همین‌طور که‌ ابعاد ترانزیستورها کوچک‌ می‌شود،خواص کوانتومی الکترون‌ها مانند ماهیت موجی آن‌ها بیشتر خود را نشان می‌دهد و باید در طراحی‌‌ها آن‌ها را در نظر گرفت. سرعت بالاتر و کاهش توان‌مصرفی که قطعات GMR این خواص را از خود نشان داده‌اند، بسیار مهم است.

طراحی بر مبنای GMR برتری‌هایی همچون ترکیب عملکردهای منطقی، ذخیره سازی و سنسوری بر تکنولوژی حال حاضر دارد، که منجر به جلب‌شدن تحقیقات به سمت آن شده است. از مهم‌ترین دستاوردهای قطعات می‌توان به کامپیوترهای‌کوانتومی و مخابرات‌کوانتومی است،که تکنولوژی ارتباطات و فناوری‌اطلاعات قرن ۲۱ را دچار انقلاب وسیعی خواهد کرد.[50]

منابع

1. Reig, Candid; Cardoso, Susana; Mukhopadhyay, Subhas Chandra (2013). "Giant Magnetoresistance (GMR) Sensors". Smart Sensors, Measurement and Instrumentation. doi:10.1007/978-3-642-37172-1. ISSN 2194-8402.
2. Нагаев, Эдуард Леонович (1996-08-01). "Манганиты лантана и другие магнитные проводники с гигантским магнитосопротивлением". Успехи физических наук (به روسی). 166 (8): 833–858. doi:10.3367/ufnr.0166.199608b.0833. ISSN 0042-1294.
3. "Book sources". Wikipedia.
4. "Book sources". Wikipedia.
5. "Wikipedia:Link rot". Wikipedia. 2020-11-15.
6. "Book sources". Wikipedia.
7. Chappert, Claude; Fert, Albert; Van Dau, Frédéric Nguyen (2007-11). "The emergence of spin electronics in data storage". Nature Materials. 6 (11): 813–823. doi:10.1038/nmat2024. ISSN 1476-4660. Check date values in: |date= (help)
8. "Book sources". Wikipedia.
9. Binasch, G.; Grünberg, P.; Saurenbach, F.; Zinn, W. (1989-03-01). "Enhanced magnetoresistance in layered magnetic structures with antiferromagnetic interlayer exchange". Physical Review B. 39 (7): 4828–4830. doi:10.1103/PhysRevB.39.4828.
10. "Giant magnetoresistance". Wikipedia. 2020-10-26.
11. «The Nobel Prize in Physics 2007». web.archive.org. ۲۰۱۱-۰۸-۰۵. دریافت‌شده در ۲۰۲۰-۱۱-۱۸.
12. "Book sources". Wikipedia.
13. Seitz, Frederick; Turnbull, David (1957). Advances in Research and Applications. Solid State Physics. Volume 5. Academic Press. p. 31.
14. Fert, Albert (2008-12-17). "Nobel Lecture: Origin, development, and future of spintronics". Reviews of Modern Physics. 80 (4): 1517–1530. doi:10.1103/RevModPhys.80.1517.
15. "Book sources". Wikipedia.
16. Camley, R. E.; Barnaś, J. (1989-08-07). "Theory of giant magnetoresistance effects in magnetic layered structures with antiferromagnetic coupling". Physical Review Letters. 63 (6): 664–667. doi:10.1103/PhysRevLett.63.664.
17. Levy, Peter M.; Zhang, Shufeng; Fert, Albert (1990-09-24). "Electrical conductivity of magnetic multilayered structures". Physical Review Letters. 65 (13): 1643–1646. doi:10.1103/PhysRevLett.65.1643.
18. Valet, T.; Fert, A. (1993-09-01). "Theory of the perpendicular magnetoresistance in magnetic multilayers". Physical Review B. 48 (10): 7099–7113. doi:10.1103/PhysRevB.48.7099.
19. Nagasaka, K. (30 June 2005). "CPP-GMR Technology for Future High-Density Magnetic Recording". Fujitsu. Archived from the original on 6 August 2008. Retrieved 11 April 2011.
20. "Book sources". Wikipedia.
21. "Book sources". Wikipedia.
22. "Book sources". Wikipedia.
23. "Book sources". Wikipedia.
24. "Book sources". Wikipedia.
25. «Гигантское магнитосопротивление: от открытия до Нобелевской премии :: Группа AMT&C;». web.archive.org. ۲۰۱۵-۰۱-۰۸. دریافت‌شده در ۲۰۲۰-۱۱-۱۸.
26. Bass, J; Pratt, W. P (1999-10-01). "Current-perpendicular (CPP) magnetoresistance in magnetic metallic multilayers". Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 200 (1): 274–289. doi:10.1016/S0304-8853(99)00316-9. ISSN 0304-8853.
27. "Book sources". Wikipedia.
28. "Book sources". Wikipedia.
29. "Book sources". Wikipedia.
30. "Book sources". Wikipedia.
31. Coehoorn, R. (2003). "Novel Magnetoelectronic Materials and Devices". Giant magnetoresistance and magnetic interactions in exchange-biased spin-valves. Lecture Notes. Technische Universiteit Eindhoven. Archived from the original on 24 July 2011. Retrieved 25 April 2011.
32. Granovsky, A. B.; Ilyn, M.; Zhukov, A.; Zhukova, V.; Gonzalez, J. (2011-02-01). "Giant magnetoresistance of granular microwires: Spin-dependent scattering in integranular spacers". Physics of the Solid State. 53 (2): 320–322. doi:10.1134/S1063783411020107. ISSN 1090-6460.
33. "Book sources". Wikipedia.
34. Bass, J; Pratt, W. P (1999-10-01). "Current-perpendicular (CPP) magnetoresistance in magnetic metallic multilayers". Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 200 (1): 274–289. doi:10.1016/S0304-8853(99)00316-9. ISSN 0304-8853.
35. Sun, Dali; Yin, Lifeng; Sun, Chengjun; Guo, Hangwen; Gai, Zheng; Zhang, X.-G.; Ward, T. Z.; Cheng, Zhaohua; Shen, Jian (2010-06-11). "Giant Magnetoresistance in Organic Spin Valves". Physical Review Letters. 104 (23): 236602. doi:10.1103/PhysRevLett.104.236602.
36. Qin, Rui; Lu, Jing; Lai, Lin; Zhou, Jing; Li, Hong; Liu, Qihang; Luo, Guangfu; Zhao, Lina; Gao, Zhengxiang (2010-06-14). "Room-temperature giant magnetoresistance over one billion percent in a bare graphene nanoribbon device". Physical Review B. 81 (23): 233403. doi:10.1103/PhysRevB.81.233403.
37. Qin, Rui; Lu, Jing; Lai, Lin; Zhou, Jing; Li, Hong; Liu, Qihang; Luo, Guangfu; Zhao, Lina; Gao, Zhengxiang (2010-06-14). "Room-temperature giant magnetoresistance over one billion percent in a bare graphene nanoribbon device". Physical Review B. 81 (23): 233403. doi:10.1103/PhysRevB.81.233403.
38. "Book sources". Wikipedia.
39. "Book sources". Wikipedia.
40. "Book sources". Wikipedia.
41. Coehoorn, R. (2003). "Novel Magnetoelectronic Materials and Devices". Giant magnetoresistance and magnetic interactions in exchange-biased spin-valves. Lecture Notes. Technische Universiteit Eindhoven. Archived from the original on 24 July 2011. Retrieved 25 April 2011.
42. "Book sources". Wikipedia.
43. "Magnetic Domains in Granular GMR Materials". National Institute of Standards and Technology. Archived from the original on 12 August 2011. Retrieved 12 March 2011.
44. Wormington, Matthew; Brown, Elliot (2001). An Investigation of Giant Magnetoresistance (GMR) Spinvalve Structures Using X-Ray Diffraction and Reflectivity. Advances in X-ray Analysis – proceedings of the Denver X-ray Conferences. Volume 44. The International Centre for Diffraction Data. pp. 290–294. Archived from the original on 5 September 2014.
45. Dodrill, B. C.; Kelley, B. J. "Magnetic In-line Metrology for GMR Spin-Valve Sensors" . Lake Shore Cryotronics. Archived from the original on 5 January 2011. Retrieved 12 March 2011.
46. "Book sources". Wikipedia.
47. "Book sources". Wikipedia.
48. "Book sources". Wikipedia.
49. Zaitsev, D. D. "Магнетосопротивление, Туннельное". Словарь нанотехнологических и связанных с нанотехнологиями терминов. Роснано. Archived from the original on 23 December 2011. Retrieved 11 April 2011.
50. پروفسور شهرام محمد نژاد. «آشنایی با اسپینترونیکس و کاربردهای کوانتومی‌آن» (PDF).

پیوند به بیرون

• https://nationalmaglab.org/education/magnet-academy/learn-the-basics/stories/giant-magnetoresistance National High Magnetic Field Laboratory
• http://nrc.iust.ac.ir/files/nanoptronics/files/quantronics_seminars/12.pdf
• http://www.research.ibm.com/research/gmr.html