ที่ตำแหน่งของโครงสร้างชั้นวัสดุ CoFe1/Cu/CoFe2 ที่ได้รับจากการจำลองหลายสเกลและการจำลองแบบอะตอมมิกในกรณีของ (a) สถานะ P และ (b) สถานะ AP ตามลำดับ โครงสร้างชั้นวัสดุ CoFe1/Cu/CoFe2 ที่ได้รับจากหลายสเกล แบบจำลองและแบบจำลองอะตอมในกรณีของ (a) สถานะ P และ (b) สถานะ AP ตามลำดับ
ที่มาและความสำคัญ
โดยการนำชั้นของวัสดุต้านเฟอร์โรแมกเนติก (วัสดุแอนติเฟอร์โรแมกเนติก, AF) มาเชื่อมต่อกับชั้น PL ซึ่งเรียกรวมกันว่าชั้นเอ็กซ์เชนจ์ไบอัส (exchange bias layer) เพื่อใช้ประโยชน์จากผลกระทบของปฏิสัมพันธ์ระหว่างการแลกเปลี่ยนในระหว่างการดึงดูดที่ส่วนต่อประสานของชั้นวัสดุหรือเอ็กซ์เชนจ์อคติ - ปรากฏการณ์: โดยการรักษาทิศทางของการดึงดูดในชั้น PL ผลของการโต้ตอบการแลกเปลี่ยนที่เกิดขึ้นในชั้นอคติการแลกเปลี่ยนทำให้เกิดการเคลื่อนไหว มีขนาดเล็กลงส่งผลให้ต้องลดขนาดส่วนประกอบแต่ละส่วนของฮาร์ดดิสก์ลง รวมถึงขนาดของเม็ดแม่เหล็กในชั้น AF จะถูกใช้เพื่อกำหนดทิศทางของการเกิดแม่เหล็กในชั้น PL ของหัวอ่านข้อมูล การลดขนาดเกรนแม่เหล็กในชั้น AF จะช่วยลดอุปสรรคด้านพลังงาน การทำให้เป็นแม่เหล็กในเลเยอร์ AF ใช้เพื่อรักษาทิศทางของตัวเองและเพื่อรักษาทิศทางของการทำให้เป็นแม่เหล็กในเลเยอร์ PL โดยทั่วไป พลังงานกั้นแม่เหล็กในชั้น AF จะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับค่าคงที่ .
วัตถุประสงค์ของงานวิจัย
ขอบเขตงานวิจัย
ประโยชน์ที่ได้รับ
องค์ประกอบของฮาร์ดดิสก์ไดร์ฟ
แผ่นบันทึกข้อมูล
หัวเขียนข้อมูล
หัวอ่านข้อมูล
ประเภทของวัสดุแม่เหล็ก
- วัสดุไดอะแมกเนติก
- วัสดุพาราแมกเนติก
- วัสดุเฟอร์โรแมกเนติก
- วัสดุแอนติเฟอร์โรแมกเนติก
โครงสร้างของวัสดุจะทำให้เกิดโมเมนต์แม่เหล็กบางช่วงตอบสนองและจัดเรียงไปในทิศทางของสนามแม่เหล็กภายนอกดังแสดงในรูปที่ 2.15(a) ทำให้วัสดุพาราแมกเนติกตอบสนอง สนามแม่เหล็กภายนอกแสดงในรูปที่ 2.15(b) วัสดุต้านเฟอร์โรแมกเนติกเป็นวัสดุแม่เหล็กที่ไม่แสดงคุณสมบัติทางแม่เหล็กเนื่องจากมีการวางแนวการดึงดูดแม่เหล็กแบบพิเศษที่แตกต่างจากวัสดุแม่เหล็กประเภทอื่น การทำให้เกิดแม่เหล็กในวัสดุต้านเฟอร์โรแมกเนติกจะถูกจัดเรียงในทิศทางตรงกันข้ามในแต่ละซับแลตทิซ (ซับแลตทิซ) ที่แสดงในรูปที่ 2.17(a) ส่งผลให้เกิดปริมาณของการดึงดูด ระบบภายในโดยรวมมีขนาดเล็กและบรรจบกันเป็นศูนย์ M = 0 แม้ว่าจะใช้หรือไม่มีสนามแม่เหล็กภายนอกก็ตาม เข้าสู่โครงสร้างของวัสดุ ธาตุแมงกานีส (Mn) และโครเมียม (Chrom, Cr) มีคุณสมบัติต้านแม่เหล็กไฟฟ้าตามธรรมชาติ [90] สารต้านเฟอร์โรแมกเนติกยังพบได้ทั่วไปในสารประกอบโลหะทรานซิชันและสารประกอบออกไซด์ เช่น เหล็กแมงกานีส FeMn และอิริเดียมแมงกานีส , IrMn) แมงกานีสออกไซด์ แมงกานีสออกไซด์ MnO และโคบอลต์ออกไซด์ CoO ฯลฯ ภาพประกอบ 2.17(b) แสดงทิศทางการทำให้เป็นแม่เหล็กอย่างง่ายของวัสดุต้านเหล็กแม่เหล็กไฟฟ้าในธาตุแมงกานีส จะเห็นได้ว่าการดึงดูดแม่เหล็กจัดไปในทิศทางเดียวกัน ข้ามด้วยมุมเท่ากับ 180o การสลับแต่ละ Sublattice เป็นผลมาจากการแลกเปลี่ยนแรงระหว่างการหมุนภายใน Sublattice ที่มีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน
สมบัติพื้นฐานของวัสดุแม่เหล็ก
แอนไอโซโทรปีของวัสดุแม่เหล็ก
- แอนไอโซโทรปีผลึก
- แอนไอโซโทรปีรูปร่าง
- แอนไอโซโทรปีแลกเปลี่ยน
โดยคำนึงถึงสมการ (2.12) พบว่าในกรณีที่พลังงานภายในชั้นของวัสดุต้านเฟอร์โรแมกเนติกน้อยกว่าค่าคงที่คัปปลิ้งที่ขอบเขต KAFtAF< Jint จะไม่ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของฮิสเทรีซีสของวงปิดเนื่องจาก การดึงดูดในชั้นของการเปลี่ยนแปลงของวัสดุต้านคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ทิศทางของการดึงดูดแม่เหล็กในวัสดุเฟอร์โรแมกเนติก แต่ในกรณีของพลังงานภายในชั้นวัสดุ
อันตรกิริยาแลกเปลี่ยน
- อันตรกิริยาแลกเปลี่ยนทางตรง
- อันตรกิริยาแลกเปลี่ยนทางอ้อมและอันตรกิริยาแลกเปลี่ยนแบบพิเศษ
การผันกลับทิศทางของแมกนีไทเซชัน
พลังงานกีดกันทางแม่เหล็ก
ความไม่อิสระของเวลาและอุณหภูมิ (time dependent measurement)
วิวัฒนาการของแผ่นบันทึกข้อมูล
สูงและจะเพิ่มความจุของการ์ดหน่วยความจำ แต่ในกรณีของเลเยอร์การบันทึก SL พบว่าการกระจายของสนามสปินสูงส่งผลให้ SNR ต่ำ ทำให้ประสิทธิภาพของการ์ดหน่วยความจำลดลง ชั้นการจัดเก็บข้อมูล SL ชั้นการจัดเก็บข้อมูล CGC, ชั้นการจัดเก็บข้อมูล ECC และชั้นการจัดเก็บข้อมูล ECC/CGC ที่ใช้แบบจำลองคอมพิวเตอร์อะตอมมิกส์ถูกนำมาใช้ในปี 2010
โปรแกรมจำลองโครงสร้างโวโรนอย
แผนภาพโวโรนอย
การกำหนดโครงสร้างแบบแกรนูลาร์
การกำหนดลักษณะการกระจายตัวของขนาดของเกรนแม่เหล็ก
การคำนวณค่าอันตรกิริยาแลกเปลี่ยน
ระเบียบวิธีการมอนติคาร์โล
ปัจจัยที่ส่งผลต่อแผ่นบันทึกข้อมูลแบบตั้งฉากที่สภาวะสมดุล
- ผลกระทบจากการออกแบบโครงสร้างแผ่นบันทึกข้อมูล
- ปัจจัยของมุมต่อค่าสนามวิกฤต
- ปัจจัยของการกระจายตัวของทิศแกนง่าย
- ปัจจัยของเวลาต่อค่าสนามกลับทิศทางของแมกนีไทเซชัน
การทำให้เป็นแม่เหล็กภายในชั้น AF จะเปลี่ยนพฤติกรรมจากวัสดุพาราแมกเนติกไปเป็นวัสดุ AF สถานะการทำให้เป็นแม่เหล็กภายในชั้น AF สามารถควบคุมได้โดยใช้กระบวนการกระตุ้นด้วยความร้อน ดังนั้นวิธีจลนศาสตร์มอนติคาร์โลจึงเป็นวิธีที่เหมาะสมที่สุดในการอธิบายความน่าจะเป็นที่จะส่งคืน การทำให้เป็นแม่เหล็กภายในชั้น AF
ปรากฏการณ์ไบอัสแลกเปลี่ยน
จุดกำเนิดของปรากฏการณ์ไบอัสแลกเปลี่ยน
ปัจจัยที่ส่งผลต่อปรากฏการณ์ไบอัสแลกเปลี่ยน
- ความหนาชั้นฟิล์มแม่เหล็ก
- รอยต่อระหว่างชั้นวัสดุแม่เหล็ก
- อุณหภูมิวิกฤตของปรากฏการณ์ไบอัสแลกเปลี่ยน
การลดขนาดของฮาร์ดดิสก์ไดรฟ์ทำให้จำเป็นต้องลดขนาดของฮาร์ดดิสก์ ขนาดและความหนาของชั้นวัสดุทั้งหมดภายในหัวอ่าน รวมถึงความหนาของชั้นฟิล์ม AF และชั้น FM ช่วยให้สามารถศึกษาผลกระทบของความหนาของฟิล์ม FM (ความหนา FM, tFM) และความหนาของชั้นฟิล์ม AF (ความหนา AF, tAF) จะเปลี่ยนปริมาณของฟิลด์ Exchange Bias V < VC ส่งผลให้เกิดความไม่เสถียรทางความร้อนเนื่องจากมีลักษณะเหมือนวัสดุซุปเปอร์พาราแมกเนติกดังแสดงในรูปที่ 4.29(a) ระยะที่สองคืออาร์เรย์ของเม็ดแม่เหล็ก AF ที่มีทิศทาง
แบบจำลองทางทฤษฎีสำหรับปรากฏการณ์ไบอัสแลกเปลี่ยน
- แบบจำลองเบื้องต้นของไมเคิลจอร์นและบีน
- แบบจำลองแกรนูลาร์ของฟัลคัมเมอร์และชาราป
- แบบจำลองเชิงตัวเลขอย่างง่ายของเฟอร์นานเดซ
- แบบจำลองแกรนูลาร์ของชูและเคร็ก
เทอมแรกในสมการ (4.8) รับผิดชอบต่อผลกระทบของสนามแม่เหล็กภายนอกที่มีต่อการทำให้เกิดแม่เหล็กในชั้น FM ในขณะที่เทอมที่สองและสามใช้สำหรับผลของปีพลังงานแอนไอโซทรอปิกที่เกิดขึ้นภายใน FM เลเยอร์และเลเยอร์ AF ตามลำดับ เมื่อพิจารณาถึงค่าพลังงานขั้นต่ำของระบบจากมุม α และ β ที่ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของฮิสเทรีซีสวงปิดออกไปจากแกนสมมาตร ก็สามารถเขียนอัตราส่วนของค่าได้ HEB ดังแสดงในสมการ 120 AF โดยใช้เทคนิค Monte Carlo สามารถคำนวณได้จากผลรวมของพลังงานแอนไอโซโทรปีในชั้น AF และพลังงานการแลกเปลี่ยนระหว่างชั้นวัสดุจากสมการ (4.13) ซึ่งก็คือสมการ
แบบจำลองแกรนูลาร์อย่างง่ายสำหรับชั้นไบอัสแลกเปลี่ยน
การกำหนดโครงสร้างของชั้นไบอัสแลกเปลี่ยน
โปรแกรมจำลองโครงสร้างของชั้นไบแอสแบบสลับ ซึ่งประกอบด้วยชั้น AF ที่เชื่อมกับชั้น FM ซึ่งภายในแต่ละชั้นฟิล์มจะประกอบด้วยเม็ดแม่เหล็กจำนวนมาก แบบจำลองโครงสร้าง Voronoi การเลือกโปรแกรม Voronoi ช่วยให้สามารถกำหนดพารามิเตอร์ควบคุม (พารามิเตอร์อินพุต) ของการจำลองโครงสร้างวัสดุแม่เหล็ก เช่น ขนาดของระบบ ขนาดเม็ดแม่เหล็ก และระยะห่างระหว่างเม็ดแม่เหล็ก ระยะห่างและการกระจายขนาดของเม็ดแม่เหล็ก เป็นต้น ตัวแปรควบคุมที่ป้อนเข้าไปในโปรแกรมจะสร้างพารามิเตอร์เอาท์พุตหรือชุดข้อมูลของระบบรวมทั้งจำนวนและตำแหน่งของเกรนแม่เหล็ก จำนวนและตำแหน่งของเม็ดแม่เหล็กที่อยู่ใกล้เคียงและค่าปฏิสัมพันธ์ของพวกมัน การแลกเปลี่ยนระหว่างเม็ดแม่เหล็กที่อยู่ใกล้เคียง (ความแรงของสนามแลกเปลี่ยนสัมพัทธ์) ฯลฯ ข้อมูลเหล่านี้มีความสำคัญต่อการคำนวณด้วยคอมพิวเตอร์โดยใช้วิธีมอนติคาร์โลและสมการ LLG เพื่อให้ได้คุณสมบัติทางแม่เหล็กใกล้เคียงกับความเป็นจริง ตามที่อธิบายไว้ในรายละเอียด หลังจากกระบวนการจำลองระบบ จะมีการกำหนดโครงสร้างของวัสดุแม่เหล็กสองชั้น ทิศทางการทำให้เป็นแม่เหล็กเริ่มต้นในชั้น AF และชั้น FM ที่ใช้ในการคำนวณไดนามิก การทำให้เป็นแม่เหล็กครั้งต่อไป แบบจำลองที่นำเสนอสามารถคำนึงถึงผลการกระจายตัว สามารถรับทิศทางง่ายๆ ของแกนการทำให้เป็นแม่เหล็กภายในชั้น AF และชั้น FM ได้โดยใช้ฟังก์ชันการกระจายแบบเกาส์เซียนเพื่อ จำลองปรากฏการณ์อคติการแลกเปลี่ยน
การคำนวณพลวัตของวัสดุแอนติเฟอร์โรแมกเนติกด้วยวิธีการมอนติคาร์โลเชิงจลน์
126 ค่าสนามแลกเปลี่ยนระหว่างชั้นแม่เหล็กในชั้นวัสดุเฟอร์โรแมกเนติก แรงแม่เหล็กในชั้นวัสดุต้านเฟอร์โรแมกเนติก H⃗⃗ exAF−FM สามารถกำหนดได้โดยการคำนวณอนุพันธ์ของค่า Eexch ในสมการ (4.18) เทียบกับโมเมนต์แม่เหล็กของเม็ดแม่เหล็กด้านใน ชั้นวัสดุต้านเฟอร์โรแมกเนติก μ⃗ AF มีดังต่อไปนี้: 128 ปริมาณพลังงานกั้นแม่เหล็กของเม็ดแม่เหล็กในชั้น AF สามารถคำนวณได้โดยตรงเนื่องจากความซับซ้อนในการคำนวณ ซึ่งทำให้จำเป็นต้องใช้วิธีการประมาณค่าเชิงตัวเลข [120] เพื่อกำหนดพลังงานแม่เหล็กของเกรน AF แม่เหล็กเป็นฟังก์ชันของสนามแม่เหล็กทั้งหมดที่กระทำบนชั้นวัสดุต้านเหล็กแม่เหล็กไฟฟ้า HTAF และมุม θH จะแสดงในสมการ
การคำนวณพลวัตของวัสดุเฟอร์โรแมกเนติกโดยอาศัยสมการ LLG
เมื่อพิจารณาถึงสนามแม่เหล็กทั้งหมดในชั้น FM ควบคู่กับชั้น AF จำเป็นต้องพิจารณาผลกระทบของสนามการแลกเปลี่ยนระหว่างชั้นวัสดุ โดยที่สนามแม่เหล็กในชั้นวัสดุต้านเหล็กจะออกแรงกระทำต่อแม่เหล็ก ไนตไลเซชันในชั้นวัสดุเฟอร์โรแมกเนติก (สนามแลกเปลี่ยนระหว่างชั้นบนชั้น FM, H⃗⃗ exchFM−AF), สนามแม่เหล็กภายนอก (สนามดัดแปลง, แอป H⃗⃗) และสนามความร้อน (สนามความร้อน, H⃗⃗ thi ) ก็มีส่วนเกี่ยวข้องด้วย ทำให้สามารถเขียนได้ สนามแม่เหล็กที่มีประสิทธิผลซึ่งกระทำต่อชั้น FM ขณะควบคู่กับชั้น AF ดังนี้ พิจารณาพลวัตของการทำให้เกิดสนามแม่เหล็กในชั้น FM โดยใช้สมการ LLG ร่วมกับการพิจารณาพลวัตของสนามแม่เหล็กในชั้น AF โดยใช้เทคนิค Monte Carlo เพื่อจำลองการเกิด ของปรากฏการณ์
ผลการศึกษา
- ผลกระทบของปัจจัยภายในและการออกแบบโครงสร้าง
- ผลกระทบของการกระจายตัวของทิศแกนง่ายในชั้น AF
แบบจำลองแบบละเอียดอย่างง่ายสำหรับชั้นอคติการแลกเปลี่ยน IrMn/CoFe ได้รับการพัฒนาและนำไปใช้เพื่อศึกษาคุณสมบัติทางแม่เหล็กและพฤติกรรมการกลับตัวของการวางแนวของการดึงดูดของชั้น CoFe ที่เชื่อมต่อกับชั้น IrMn สำหรับแบบจำลองที่นำเสนอคือ 155 ในชั้นวัสดุ IrMn ไม่เพียงส่งผลต่อความสามารถในการรักษาทิศทางของการสะกดจิตในการแลกเปลี่ยนอคติของเลเยอร์หรือการลดปริมาตร HEB เท่านั้น แต่ยังส่งผลต่อพฤติกรรมการกลับทิศทางอีกด้วย ของการดึงดูดในชั้นวัสดุ CoFe ตามที่อธิบายไว้ในรายละเอียดในรูป จำลองกระบวนการข้างต้นเพื่อเปลี่ยนทิศทางของการดึงดูด ผลการศึกษานี้สามารถยืนยันได้ว่าผลลัพธ์ การกระจายตัวของทิศทางง่ายของแกนแม่เหล็กในชั้น IrMn ถือเป็นอีกปัจจัยสำคัญที่ส่งผลกระทบอย่างมาก โดยส่งผลกระทบอย่างมากต่อคุณสมบัติทางแม่เหล็กและปริมาณ HEB ในโครงสร้างของชั้น Exchange Bias ที่เป็น นำมาประยุกต์เป็นส่วนประกอบสำคัญภายในหัวฮาร์ดไดร์ฟ
แบบจำลองแกรนูลาร์เสมือนจริงสำหรับชั้นไบอัสแลกเปลี่ยน
กระบวนการกำหนดทิศทางของแมกนีไทเซชันในชั้น AF
การจำลองกระบวนการกำหนดทิศทางของแมกนีไทเซชันในชั้น AF
159 AF ดังแสดงในรูป 4.31 โดยเริ่มจากการจำลองโครงสร้างวัสดุ 2 ชั้นด้วยแกรมโวโรนอยด์ จากนั้นจึงกำหนดทิศทางการทำให้เป็นแม่เหล็กเริ่มต้นเพื่อพิจารณา กระบวนการกำหนดทิศทางของสนามแม่เหล็กในชั้น AF โดยใช้เทคนิคจลน์มอนติคาร์โล
ผลการศึกษา
- ผลกระทบของปัจจัยภายในและการออกแบบโครงสร้าง
- ผลกระทบของอุณหภูมิ
ฮอีบี| ของระบบที่ไม่คำนึงถึงผลกระทบของกระบวนการดึงดูดทิศทางในชั้น AF จะมี ผลกระทบของกระบวนการกำหนดทิศทางจะถูกนำมาพิจารณาในการแปรผันของค่า KAF เนื่องจากผลกระทบของกระบวนการการวางแนว ทำให้สัดส่วนของเม็ดแม่เหล็กที่รับผิดชอบต่อทิศทางของการทำให้เกิดแม่เหล็กในชั้น FM ลดลงและทำให้ค่าใน | ลดลง HEB| ปริมาณซึ่งสอดคล้องกับผลการทดลองจริง
แบบจำลองแกรนูลาร์เสมือนจริงสำหรับชั้นไบอัสแลกเปลี่ยนตาม York protocol
York protocol
การจำลองวิธีการวัดลูปวงปิดฮิสเทอร์รีซีสตาม York protocol
ผลการศึกษา
ปรากฏการณ์การส่งผ่านสปิน
ปรากฏการณ์ค่าต้านทานแม่เหล็กขนาดใหญ่
การประยุกต์ใช้ปรากฏการณ์การส่งผ่านสปินในอุปกรณ์สปินทรอนิกส์
แบบจำลองทั่วไปของการสะสมสปิน
แบบจำลองโครงสร้างหัวอ่านข้อมูลแบบมัลติสเกล
ผลการศึกษา
การเปรียบเทียบค่าการคำนวณการสะสมสปิน กระแสสปิน และความต้านทานที่ได้จาก
การศึกษาปัจจัยที่ส่งผลต่อการส่งผ่านสปินในโครงสร้างหัวอ่านข้อมูล
- ผลของความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าต่อปริมาณการส่งผ่านสปินและค่า MR
- ผลของมุมระหว่างแมกนีไทเซชันภายในชั้น PL และชั้น FL ต่อปริมาณการส่งผ่าน
การศึกษาปัจจัยที่ส่งผลต่อค่า MR ในโครงสร้างหัวอ่านข้อมูลเชิงการทดลอง
- การจำแนกระดับของหัวอ่านข้อมูลเชิงอุตสาหกรรม เครื่องมือวัด และกลุ่มตัวอย่างที่
- ผลของสนามแม่เหล็กภายนอก
- ผลการป้อนแรงดันไบอัส
- ผลของมุมระหว่างแมกนีไทเซชันในชั้น PL และชั้น FL
สรุปผลการศึกษา
ข้อเสนอแนะและหัวข้อวิจัยในอนาคต
แบบจำลองแกรนูลาร์สำหรับชั้นไบอัสแลกเปลี่ยน
แบบจำลองแบบมัลติสเกลสำหรับโครงสร้างหัวอ่านข้อมูล
