GMR

ดร. ชิตณรงค์ ศิริสถิตย์กุล และ นส. วัชรี รัตนสกุลทอง
หน่วยวิจัยฟิสิกส์ทดลอง มหาวิทยาลัยวลัยลักษณ์

ความต้องการวัสดุที่มีคุณสมบัติดีขึ้นทำให้มีการวิจัยและพัฒนาส่วนประกอบและกรรมวิธีในการสังเคราะห์เรื่อยมา จนถึงยุคข้อมูลข่าวสารที่มีความต้องการให้เซนเซอร์ และหัวอ่านมีความไวต่อสนามแม่เหล็กสูงเกินกว่าที่วัสดุแม่เหล็กแบบเดิมจะสามารถทำได้ นำไปสู่การสังเคราะห์วัสดุแม่เหล็กที่เล็กในระดับนาโนและค้นพบปรากฏการณ์ใหม่ ที่เรียกว่า GMR

GMR คือคำย่อของไจแอนท์แมกนีโตรีซีสแทนซ์ (Giant MagnetoResistance) เป็นปรากฏการณ์ที่วัสดุมีความต้านทานไฟฟ้าลดลงอย่างมาก (1-80%) เมื่ออยู่ในสนามแม่เหล็ก

คณะผู้วิจัย ณ Universite Paris-Sud ในประเทศฝรั่งเศสค้นพบ GMR ในปี 19881 เมื่อศึกษาค่าความต้านทานไฟฟ้าของฟิล์มบางสลับชั้นของเหล็กและโครเมียม แล้วพบว่า ความต้านทานไฟฟ้าของฟิล์มบางสลับชั้นลดลงเกือบ 50 เปอร์เซ็นต์ เมื่อทำการวัดในสนามแม่เหล็กขนาด 20 กิโลเออร์สเต็ด (2 เทสลา) การค้นพบดังกล่าวเป็นจุดเริ่มต้นของ GMR ที่ได้รับความสนใจจากบรรดานักวิทยาศาสตร์ และวิศวกร เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงขนาดสัญญาณมีค่าสูงและสามารถสังเกตได้ที่อุณหภูมิห้อง ตลอดเวลา 14 ปีที่ผ่านมาจึงมีการวิจัยทางวัสดุ GMR อย่างกว้างขวาง เพื่อประยุกต์ใช้เป็นหัวอ่านฮาร์ดดิสก์ หน่วยความจำ และ เซนเซอร์

60473

 

ภาพที่ 1 ตัวอย่างกราฟ GMR แสดงความสัมพันธ์ระหว่างสนามแม่เหล็ก กับค่าความต้านทานของวัสดุอัลลอยด์โดยการบด ที่อุณหภูมิ 199 K ภายใต้สนามแม่เหล็กขนาด 16 กิโลเออร์สเต็ด


GMR แตกต่างจาก MR หรือแมกนีโตรีซีสแทนซ์แบบปกติ ตรงที่ MR เกิดขึ้นในโลหะและสารกึ่งตัวนำทั่วๆไป ที่มีความต้านทานไฟฟ้าเพิ่มขึ้นในสนามแม่เหล็ก (โดยทั่วไปไม่เกิน 3%) เนื่องจากอิเล็กตรอนที่นำไฟฟ้าของสารเหล่านั้นมีอัตราการกระเจิงสูงขึ้น เมื่อแรงลอเรนซ์ทำให้อิเล็กตรอนมีเส้นทางการเคลื่อนที่เป็นเกลียว ในทางตรงกันข้าม GMR เป็นปรากฏการณ์ที่ความต้านทานไฟฟ้าลดลงในสนามแม่เหล็ก (รูปที่ 1 แสดงตัวอย่างกราฟGMR) และวัสดุที่แสดง GMR เป็นวัสดุที่สังเคราะห์ขึ้น

โดยมีสารแม่เหล็กเฟอร์โร (ได้แก่ เหล็ก, โคบอลท์ และนิกเกิล) แยกเฟสอยู่กับโลหะที่ไม่ใช่แม่เหล็กเฟอร์โร (เช่น เงิน, ทองแดง และ โครเมียม) โครงสร้างวัสดุที่แสดงปรากฏการณ์ GMR มีหลายแบบ เช่น ฟิล์มบางสลับชั้นระหว่างสารแม่เหล็กกับโลหะที่ไม่เป็นแม่เหล็ก (Magnetic Multilayers), ฟิล์มบางของโลหะที่มีอนุภาคสารแม่เหล็กเฟอร์โรกระจายอยู่ (Granular Films) 2 และอัลลอยด์ที่ได้จากการบดผงแม่เหล็กกับผงโลหะที่ไม่เป็นแม่เหล็ก (Mechnical Alloys)3


การเกิด GMR
GMR เกิดขึ้นเมื่อการเปลี่ยนสภาวะการแมกนีไตเซชันของวัสดุทำให้ความต้านทานของวัสดุเปลี่ยนตามไปด้วย พิจารณาการเกิด GMR ในฟิล์มบางสลับชั้น เมื่อสนามแม่เหล็กเป็นศูนย์ วัสดุจะอยู่ในสภาวะที่การแมกนีไตเซชันของชั้นแม่เหล็กมีทิศตรงข้ามกัน แต่เมื่อวัสดุอยู่ในสนามแม่เหล็ก สภาวะการแมกนีไตเซชันของวัสดุจะเปลี่ยนไป ทำให้แมกนีไตเซชันของฟิล์มแม่เหล็กทุกชั้นเรียงตัวไปในทิศเดียวกันตามสนามแม่เหล็ก

จากการทดลองพบว่าในสภาวะเช่นนี้ ความต้านทานไฟฟ้าของวัสดุจะลดลง ความต้านทานที่ลดลงนี้สามารถอธิบายได้ด้วย ทฤษฎีของ Mott4 ที่เสนอไว้ตั้งแต่ปี 1936 ว่าอิเล็กตรอนที่มีสปินขึ้น (spin up) และสปินลง (spin down) จะนำไฟฟ้าเป็นอิสระจากกันเหมือนตัวต้านทานที่ต่อแบบขนาน และ มีการอัตราการกระเจิงในสารแม่เหล็กเฟอร์โรต่างกัน (Spin Dependent Scattering) นั่นคือ เมื่ออิเลกตรอนผ่านชั้นแม่เหล็ก อิเลกตรอนที่มีสปิน ขนานกับทิศการแมกนีไตเซชันของฟิล์ม จะมีอัตราการกระเจิงต่ำกว่า อิเล็กตรอนที่สปินสวนทิศกับการแมกนีไตเซชันของฟิล์ม การเคลื่อนที่ของอิเลกตรอนผ่านชั้นต่างๆ สามารถเขียนเป็นแผนภาพ และวงจรไฟฟ้าเสมือนได้ดังรูปที่ 2 เพื่ออธิบายการลดลงของความต้านทานในสนามแม่เหล็ก

60474

 

ภาพที่ 2 แผนภาพแสดงการกระเจิงของอิเล็กตรอนที่มีสปินขึ้นและสปินลงเมื่อผ่านชั้นต่าง ๆ ของ GMR แบบฟิล์มบางสลับชั้น และวงจรไฟฟ้าเสมือนที่ประกอบด้วยตัวต้านทานไฟฟ้าเนื่องจากสปินขึ้น ต่อขนานกับสปินลง (ก) การกระเจิงของอิเล็กตรอนผ่านชั้นที่แมกนีไตเซชันเรียงสวนทิศกัน ส่งผลให้ความต้านทานรวมสูง (ข) การกระเจิงของอิเล็กตรอนเมื่อแมกนีไตเซชันของชั้นแม่เหล็กเรียงในทิศเดียวกัน เมื่อมีสนามแม่เหล็ก ให้ความต้านทานรวมต่ำ

จากรูปที่ 2(ก) เมื่อฟิล์มบางสลับชั้นมีการจัดตัวแบบสวนทิศกัน อิเล็กตรอนที่มีสปินขึ้นสามารถผ่านชั้นของสารแม่เหล็กชั้นแรกอย่างสะดวกนั่นคือมีอัตราการกระเจิงต่ำ แต่จะมีอัตราการกระเจิงสูงในชั้นแม่เหล็กชั้นถัดไปเนื่องจากสปินสวนทิศกับแมกนีไตเซชันในชั้นนั้น ในทางตรงกันข้ามอิเลกตรอนที่มีสปินลงจะมีอัตราการกระเจิงสูงในชั้นแรกและต่ำในชั้นถัดไป รูปที่ 2 (ข) เมื่อฟิล์มบางอยู่ในสนามแม่เหล็ก แมกนีไตเซชันจะมีการจัดตัวในทิศเดียวกัน อิเล็กตรอนที่มีสปินลงจะมีอัตราการกระเจิงสูงเมื่อผ่านชั้นแม่เหล็กทุกชั้นเนื่องจากมีสปินสวนทิศกับแมกนีไตเซชันของฟิล์มแม่เหล็ก ในขณะที่ อิเล็กตรอนที่มีสปินขึ้นสามารถผ่านสารแม่เหล็กทุกชั้นอย่างสะดวก เปรียบเสมือนเป็นตัวต้านทานที่ลัดวงจรให้ วัสดุมีความต้านทานรวมลดลง

60475

 

ภาพที่ 3 แบบจำลอง GMR ในโครงสร้างแบบอัลลอยด์โดยการบดผง (ก) แมกนีไตเซชันของอนุภาคแม่เหล็กเฟอร์โรเรียงตัวแบบสุ่มในสภาวะปกติ เมื่อสนามแม่เหล็กเป็นศูนย์ (ข) เมื่อมีสนามแม่เหล็กมากระทำแมกนีไตเซชันของสารแม่เหล็กจะชี้ในทิศเดียวกัน ทำให้ความต้านทานของโครงสร้างลดลง

รูปที่ 3 แสดงการเกิด GMR ในโครงสร้างแบบอัลลอยด์ที่ได้จากการบดผง แมกนีไตเซชันของอนุภาคแม่เหล็กเฟอร์โรเรียงตัวแบบสุ่มในสภาวะปกติเมื่อสนามแม่เหล็กเป็นศูนย์ แต่เมื่อมีสนามแม่เหล็กภายนอกมากระทำแมกนีไตเซชันของสารแม่เหล็กจะชี้ในทิศเดียวกัน เปิดโอกาสให้อิเล็กตรอนที่มีสปินขึ้นนำไฟฟ้าได้ดี (มีอัตราการกระเจิงต่ำ) ความต้านทานของโครงสร้างจึงลดลงในสนามแม่เหล็ก

ปัจจัยที่กำหนดค่า GMR

ปัจจัยที่มีผลต่อ GMR
ในการอ้างอิงถึงขนาดของปรากฏการณ์ GMR มักจะกล่าวถึงเป็นเปอร์เซ็นต์ ซึ่งสามารถคำนวณได้จาก อัตราส่วน

 \frac{
ho(H)-
ho(0)}{
ho(0)}


เมื่อ  
ho(0) คือ สภาพต้านทานในตอนเริ่มต้นเมื่อสนามแม่เหล็กเป็นศูนย์ ( H = 0)
และ 
ho(H) คือ สภาพต้านทานไฟฟ้าเมื่อมีสนามแม่เหล็กใด ๆ มากระทำ

60476

 

ภาพที่ 4 GMR เซนเซอร์ตรวจจับตำแหน่งลูกสูบ ให้สัญญาณ 2 แบบ (ก) เซนเซอร์ความต้านทานต่ำ (ON) เมื่อมีสนามแม่เหล็ก (ข) เซนเซอร์ความต้านทานสูง (OFF) เมื่อไม่มีสนามแม่เหล็ก


60477

 

ภาพที่ 5 หน่วยความจำที่ใช้วัสดุ GMR แบบฟิล์มบางสลับชั้น หากแมกนีไตเซชันของฟิล์มแม่เหล็กชั้นบนกับชั้นล่างมีทิศเดียวกันจะเป็นสถานะ 0 แต่ถ้าแมกนีไตเซชันของฟิล์มแม่เหล็กทั้งสองชั้นสวนทิศกันจะเป็นสถานะ 1



ในการวิจัยให้ได้วัสดุที่แสดงค่า GMR สูง ๆ พบว่าขนาดของ GMR ขึ้นอยู่กับ ปัจจัยต่าง ๆ ทั้งในขั้นเตรียมสารและขั้นการวัด ซึ่งได้แก่

ปัจจัยที่กำหนดค่า GMR ใน
โครงสร้างแบบฟิล์มบางสลับชั้น ปัจจัยที่กำหนดค่า GMR ใน
โครงสร้างแบบอัลลอยด์ด้วยการบดผง
ชนิดของสารแม่เหล็กเฟอร์โรและโลหะที่เป็นองค์ประกอบ ชนิดของผงแม่เหล็กเฟอร์โรและโลหะที่เป็นองค์ประกอบ
จำนวนชั้นของฟิล์ม อัตราส่วนระหว่างสารแม่เหล็กกับโลหะที่ไม่ใช่แม่เหล็ก
ความหนาของฟิล์ม ขนาดของอนุภาค
ความหยาบของรอยต่อระหว่างสารแม่เหล็กกับโลหะที่ไม่ใช่แม่เหล็ก ความหยาบของรอยต่อระหว่างสารแม่เหล็กกับโลหะที่ไม่ใช่แม่เหล็ก
การให้ความร้อนภายหลังการเตรียมฟิล์ม การให้ความร้อนภายหลังการบดผง
อุณหภูมิที่ทำการวัด อุณหภูมิที่ทำการวัด



จากห้องปฏิบัติการสู่การประยุกต์ใช้
เทคโนโลยีการประยุกต์ใช้ GMR ได้ก้าวสู่ขั้นที่มีการแข่งขันเชิงพาณิชย์แล้ว สามารถแบ่งการใช้งานเป็น 4 ประเภท ได้แก่ เซนเซอร์ (Sensor) หัวอ่านและบันทึก (Read/Write Head) หน่วยความจำ (Memory) และ อุปกรณ์อิเลกทรอนิกส์ (Electronic Devices)
เซนเซอร์ นอกจากสามารถวัดสนามแม่เหล็กได้แล้ว เซนเซอร์สนามแม่เหล็ก(Magnetic Sensor) ยังสามารถประยุกต์ใช้ในการวัด กระแสไฟฟ้า ความดัน และตำแหน่ง ตัวอย่างเช่นการตรวจวัดตำแหน่งของลูกสูบ

60491

 

ดังแสดงในภาพที่ 4 ปัจจุบันได้มีบริษัทผลิต GMR เซนเซอร์ ในรูปวงจรไอซี5 เช่น บริษัท Nonvolatile Electronics Inc. ได้เริ่มจำหน่าย GMR วีตสโตนบริดจ์ ในปี 1995 และ เซนเซอร์แบบดิจิตอลในรูปแบบชิพ (chip) ในปี 1997 ทางด้านบริษัท Siemens ได้จำหน่ายเซนเซอร์ตรวจวัดการหมุนด้วย วัสดุ GMR ตั้งแต่ปี 1998




หัวอ่านและบันทึก เทคโนโลยี GMR ได้เริ่มทดแทนหัวอ่านฮาร์ดดิสก์แบบเหนี่ยวนำ และ MR แบบเก่า เนื่องจากความต้องการสร้างหัวอ่านให้มีขนาดเล็กลงเรื่อยๆ จะทำให้ สัญญาณมีค่าต่ำลง การใช้วัสดุ GMR จะให้ค่าสัญญาณที่สูงเพียงพอสำหรับหัวอ่านที่มีขนาดเล็ก ในปี 2000 เทคโนโลยี GMR ทำให้การบันทึกข้อมูลมีประสิทธิภาพสูงถึงความจุ(Recording capacity)6 ระดับ 10 Gb/in2 เป้าหมายต่อไปของการวิจัยในอยู่ที่ การเพิ่มความจุของข้อมูลเป็น100 Gb/in2 ในเวลาที่รวดเร็วที่สุด 7



หน่วยความจำ การที่วัสดุ GMR สามารถเปลี่ยนจากสถานะที่มีความต้านทานสูง ไปสู่สถานะที่มีความต้านทานต่ำ จึงมีความเหมาะสมอย่างยิ่งในการประดิษฐ์เป็น หน่วยความจำ โดยใช้หลัก ความต้านทานสูงเทียบเท่าสถานะ 1 และเมื่อความต้านทานต่ำจะเทียบเท่าสถานะ 0 ในปี 1997 คณะของ Melo 8 ได้ออกแบบหน่วยความจำ MRAM (Magnetic Random Access Memory) ที่ใช้วัสดุ GMR ที่มีฟิล์มโลหะประกบด้วยฟิล์มแม่เหล็กทั้งด้านบนและล่าง โดยที่แมกนีไตเซชันของแม่เหล็กชั้นล่างจะมีทิศคงที่



ส่วนฟิล์มแม่เหล็กชั้นบนสามารถเปลี่ยนทิศทางการแมกนีไตเซชันไปตามสนามแม่เหล็กเนื่องจากกระแสบันทึกข้อมูล ดังแสดงในภาพที่ 5 หน่วยความจำจะเก็บข้อมูลเป็น 0 เมื่อแมกนีไตเซชันในชั้นบนเรียงตัวในทิศเดียวกับชั้นล่าง และ เป็น 1 เมื่อแมกนีไตเซชันชั้นบนสวนทิศกับชั้นล่าง



การอ่านข้อมูลจากหน่วยความจำสามารถทำได้โดยวัดความต่างศักย์ที่ผ่านหน่วยความจำ เพื่อหาว่าค่าความต้านทานสูง (1) หรือ ต่ำ (0) หน่วยความจำแบบนี้ มีจุดเด่นตรงที่ สามารถรักษาข้อมูลไว้ได้ภายหลังปิดเครื่องโดยไม่ต้องใช้ไฟเลี้ยง (nonvolatile) และมีการสวิทซ์ที่รวดเร็ว (fast switching) ในปี 2000 บริษัท Honeywell ได้ผลิตชิพต้นแบบของ MRAM ขนาด 16 kB และ 1MB ได้สำเร็จ9



อุปกรณ์อิเลกทรอนิกส์ นอกจากใช้ในเทคโนโลยีบันทึกข้อมูลแล้ว การที่ความต้านทานของวัสดุGMR มีความไวต่อสนามแม่เหล็ก เป็นจุดเด่นที่ นำไปประยุกต์ประดิษฐ์เป็นอุปกรณ์ อิเลกทรอนิกส์ แบบใหม่ ได้หลายอย่างเช่น อุปกรณ์เชิงตรรก (Logic Device)10 , ไอโซเลเตอร์แบบแม่เหล็ก ที่สามารถใช้งานที่ความถี่สูงกว่าแบบแสง (Magnetically Coupled Galvanic Isolator)11 และ ทรานซิสเตอร์ที่สามารถปรับเปลี่ยนเกนได้ด้วยสนามแม่เหล็ก (Spin transistor)12


การวิจัย GMR ในประเทศไทย
ด้วยการสนับสนุน ของศูนย์เทคโนโลยี โลหะและวัสดุแห่งชาติ ได้มีการเริ่มต้นวิจัยสังเคราะห์และประยุกต์ใช้วัสดุ GMR ในประเทศไทยแล้ว โดยคณะวิจัยทำการเตรียมวัสดุ GMR แบบอัลลอยด์ด้วยการบดผง ณ ห้องปฏิบัติการอิเลกโตรเซรามิกส์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ โดยทำการบดผงโคบอลท์ เข้ากับผงทองแดงเป็นเวลานาน 50 ชั่วโมง และอัดขึ้นรูปด้วยความดันสูง วัสดุ GMR ที่ได้แสดงค่าความต้านทานไฟฟ้าลดลง 8% เมื่อวางในสนามแม่เหล็กขนาด 11 กิโลเออร์สเต็ด ณ ห้องวิจัยแม่เหล็ก มหาวิทยาลัยวลัยลักษณ์ วัสดุ GMR นี้กำลังได้รับการพัฒนาเป็นเซนเซอร์ เพื่อการใช้ประโยชน์ต่อไป

เอกสารอ้างอิง
1. M.N. Baibich, Phys. Rev. Lett. 61, 2472 (1988)
2. A.E. Berkowitz, Phys. Rev. Lett. 68, 3745 (1992)
3. J.M.D. Coey, IEEE Trans. Mag. 30, 666 (1994)
4. N.F. Mott, Proc. Royal. Soc. London 153, 699 (1936)
5. J.M. Daughton, IEEE Trans. Mag. 36, 2773 (2000)
6. T. Lin et al., IEEE Trans. Mag. 36, 2563 (2000)
7. P. Freitas et al., IEEE Trans. Mag. 36, 2796 (2000)
8. L.V. Melo et al., IEEE Trans. Mag. 33, 3295 (1997)
9. S.A. Wolf and D. Treger, IEEE Trans. Mag. 36, 2748 (2000)
10. J. Shen, IEEE Trans. Mag. 33, 4492 (1997)
11. J.M. Daughton, IEEE Trans. Mag. 36, 2773 (2000)
12. D.J. Monsma, IEEE Trans. Mag. 33, 3495 (1997)