Opis stanowiska

Stanowisko do pomiaru magnetorezystancji elementu
odczytowego głowicy dysku twardego
Opracował : Witold Skowroński
Konsultacja: prof. Tomasz Stobiecki
Dr Maciej Czapkiewicz
Dr inż. Mirosław Żołądź
1. Opis stanowiska pomiarowego
Pomiar magnetorezystancji cienkich warstw wymaga zastosowania następującej aparatury:
- elektromagnesu (dla twardych magnetycznie warstw) lub powietrznych cewek
Helmholtza (dla miękkich),
- sterowanego zasilacza dużej mocy (tzw. Programowalne Źródło Prądowe
PZP) wraz z układem zmiany polaryzacji napięcia zasilającego cewki
wytwarzające pole magnetyczne,
- stabilnego źródła prądu przepływającego przez próbkę (w związku z badaniem
metalicznych cienkich warstw o rezystancji od 100 Ω do 2 kΩ, stosowano
wartości prądu 10 lub 1 mA),
- woltomierza do pomiaru spadku napięcia (UR) na próbce lub napięcia
w konfiguracji efektu Halla (UH), o dokładności lepszej niż 10 µV,
- układu mierzącego indukcję pola magnetycznego z dużą rozdzielczością i w
szerokim zakresie pól, o dokładności co najmniej 0.1 mT i dokładności lepszej
niż 0.01 mT.
Schemat blokowy takiego zestawu, umożliwiającego automatyczny pomiar charakterystyki
galwanomagnetycznej, przedstawiony został na rys. 1.
Rys. 1. Schemat blokowy stanowiska pomiarowego GMR.
Do pomiarów magnetorezystancji dużych ilości próbek odcinanych w formie wąskich
pasków z większej płytki została skonstruowana sonda cztero-punktowa umożliwiająca
szybką wymianę próbki. Pomiar ograniczony jest tylko do pomiarów efektu
magnetorezystancji w płaszczyźnie próbki, w dwóch przypadkach: gdy prąd jest prostopadły
do pola oraz gdy jest równoległy (patrz powiększenie b) na rys. 1). Uchwyt składa się z
ramienia, na którym umieszczona jest próbka, oraz kostki z czterema sprężynującymi
kontaktami punktowymi, ułożonymi w linii prostej. Zewnętrzne kontakty połączone są ze
źródłem prądowym, wewnętrzne z woltomierzem cyfrowym.
Ponieważ stosowane zasilacze są unipolarne, a układ ma służyć do rejestracji charakterystyk
magnetorezystancyjnych i magnetycznych wykazujących histerezę, konieczne było
zastosowanie układu komutującego kierunek prądu płynącego przez cewki. Napięcie sterujące
zasilaczem cewek uzyskiwane jest z przetwornika cyfrowo-analogowego wzmacniacza typu
Lock-in, kontrolowanego przez komputer za pośrednictwem magistrali HP-IB, natomiast
teslomierz komunikuje się z komputerem za pośrednictwem łącza RS-232. Procedura
pomiarowa, kontrolowana przez odpowiedni program komputerowy, polega na zadaniu
odpowiednich wartości prądu płynącego przez cewki. Następnie, po odczekaniu na
ustabilizowanie się wartości pola magnetycznego, program wykonuje serię pomiarów
wartości pola i napięcia na próbce. Po odrzuceniu wartości skrajnych z serii liczona jest
wartość średnia, a następnie program ustawia następną, wynikającą z przyjętego kroku,
wartość prądu płynącego przez cewki. W programie istnieje możliwość ustawienia różnych
gęstości punktów pomiarowych w zdefiniowanych przez użytkownika podzakresach (np.
zagęszczenie pomiarów w okolicy zerowego pola magnetycznego).
2. Podstawy fizyczne zjawiska GMR w układach wielowarstwowych
Gigantyczna Magnetorezystancja (GMR - Giant Magnetoresistance) polega na
zmianie rezystancji układu pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego wywołanej
zmianą względnej orientacji momentów magnetycznych ferromagnetycznych elementów FM,
odseparowanych przewodzącymi, nieferromagnetycznymi elementami NM. Elementami tymi
mogą być cienkie warstwy materiałów ferromagnetycznych, lecz również wytrącenia
ferromagnetyczne. Efekt okazał się być znacznie większy niż znane wcześniej zjawiska
zwykłej magnetorezystancji czy anizotropowej magnetorezystancji, stąd nazwa GMR.
Zgodnie z modelem Mott’a prąd elektryczny jest przenoszony głównie przez elektrony
s i p pasma walencyjnego. W ferromagnetykach gęstości stanów w paśmie d w pobliżu
poziomu Fermiego są różne dla spinów „up” i „down”. Ponieważ prawdopodobieństwo
rozproszenia do tych stanów jest proporcjonalne do ich gęstości, więc rozpraszanie w obu
wspomnianych kanałach jest również różno-prawdopodobne. Przy takich założeniach można
w łatwy sposób wyjaśnić przyczynę powstawania efektu GMR w układach
wielowarstwowych. Załóżmy również, że rozpraszanie jest duże dla spinów o orientacji
przeciwnej niż magnetyzacja warstwy, a małe dla zorientowanych równolegle. Wówczas w
przypadku równoległego ułożenia magnetyzacji obu warstw ferromagnetycznych (rys. 2)
elektrony ze spinami „up” praktycznie nie ulegają rozpraszaniu, przeciwnie elektrony ze
spinami „down” – te są rozpraszane na obu warstwach. Zatem rezystancja takiego układu
może być zamodelowana przez równoległe połączenie dwóch rezystancji. Jedna z nich jest
bardzo duża (R↓ + R↓) i związana jest z kanałem elektronów o spinach „down”, natomiast
druga (R↑ + R↑) jest niewielka i wiąże się z kanałem elektronów o spinach „up”. W przypadku
gdy magnetyzacje warstw są antyrównoległe można założyć, że oba kanały połączone
równolegle mają taką samą rezystancje (R↓ + R↑ ).
Z prostego rachunku rezystancji zastępczej układu rezystorów połączonych równolegle
wynika, że rezystancja układu jest znacznie większa w przypadku gdy magnetyzacje warstw
ferromagnetycznych są antyrównoległe.
Rys. 2. Rozpraszanie elektronów w elemencie GMR.
Do obserwacji efektu GMR konieczne jest uzyskanie możliwości różnego
wzajemnego orientowania kierunków magnetyzacji użytych elementów ferromagnetycznych.
Rysunek 3 przedstawia kilka możliwych rozwiązań. W magnetycznych układach
wielowarstwowych (rys. 3.a) dobranie odpowiedniej grubości nieferromagnetycznej
przekładki metalicznej pozwala na uzyskanie antyrównoległej orientacji magnetyzacji warstw
ferromagnetycznych w zerowym polu zewnętrznym, a następnie wskutek przyłożenia pola
magnetycznego zorientowanie ich równolegle.
Rys. 3. Przykładowe układy do obserwacji GMR.
Antyrównoległe ułożenie magnetyzacji można również uzyskać stosując warstwy
ferromagnetyczne o różnych polach koercji Hc (rys. 3.b). Magnetyzacje warstw miękkiej
magnetycznie (małe pole koercji) i twardej (duże pole koercji), w tak skonstruowanej
strukturze zmieniają orientacje przy różnych wartościach pola zewnętrznego, zapewniając
tym samym istnienie zakresu pola, w którym są one antyrównoległe. Kolejną metodą jest
użycie struktury tzw. zaworu spinowego (SV spin valve) (rys. 3.c), w której magnetyzacja
jednej z warstw ferromagnetycznych (tzw. pinned - przyszpilonej) ma w szerokim zakresie
pól ustalony kierunek dzięki bezpośredniemu sprzężeniu z dodatkową warstwą
anyferromagnetyka. Procesowi reorientacji w polu magnetycznym podlega druga z warstw
ferromagnetycznych, tzw. warstwa swobodna (free layer). Istnieje
również
możliwość
wykorzystania silnie rozcieńczonych wytrąceń ferromagnetycznych (rys.3.d) w metalach
szlachetnych
(np. Co20Ag80), w których momenty magnetyczne w przybliżeniu kulistych wytrąceń bez
przyłożonego pola są ustawione w sposób przypadkowy, tak, że wypadkowa magnetyzacja
próbki wynosi zero. Zewnętrzne pole magnetyczne porządkuje momenty magnetyczne
w konkretnym kierunku. Wszystkie powyższe mechanizmy powstawania zjawiska GMR
opisane zostaną szczegółowo w następnych częściach pracy.
Drugim, oprócz konieczności zmiany wzajemnej orientacji magnetyzacji warstw
ferromagnetycznych, niezbędnym do zaobserwowania efektu GMR warunkiem jest by
grubości poszczególnych warstw nie były zbyt duże w porównaniu ze średnią drogą
swobodną (Mean Free Path- MFP) elektronów. GMR jest obserwowany jedynie, gdy
elektrony penetrują w sposób elastyczny więcej niż jedną warstwę ferromagnetyczną, co
oznacza, że zwiększanie grubości przekładki powoduje stopniowy zanik zjawiska, a dla
grubości większej od MFP zanika. Efekt ten tłumaczy również spadek sygnału GMR wraz ze
wzrostem grubości użytych warstw ferromagnetycznych. Typowe wartości MFP dla warstw
metalicznych to około 10nm, natomiast optymalne grubości warstw ferromagnetycznych
i nieferromagnetycznych dla większości struktur zawierają się odpowiednio w przedziałach
(0.4nm; 3nm) i (0.8nm; 3nm).
Efekt magnetorezystancyjny GMR jest symetryczny względem znaku zewnętrznego
pola magnetycznego. Ponadto wykazuje on zazwyczaj mniejszą lub większą histerezę w
okolicy zera pola magnetycznego. Dla zastosowań na głowice magnetyczne potrzebny jest
układ cienkowarstwowy, wykazujący nieparzystą względem polaryzacji pola magnetycznego
dużą zmianę rezystancji, o bardzo dużej czułości (czyli dużej zmianie magnetorezystancji na
jednostkę pola) w okolicy zera pola magnetycznego. Można to uzyskać stosując następujący
układ warstw typu AF/FP/S/FF (rys. 4) czyli: antyferro-magnetycznej (AF) warstwy podmagneso-wującej (z ang. biased), która wymusza jednoosiową anizotropię jednozwrotową
pierwszej warstwy ferromagnetycznej „zamocowanej” (FP, z ang. pinned), przekładki
niemagnetycznej (S, z ang. spacer) oraz drugiej warstwy ferromagnetycznej „swobodnej”
(FF, z ang. free).
Rys. 4. GMR w układzie wielowarstwowym typu Zawór Spinowy
(Spin Valve)
Grubość przekładki niemagnetycznej jest tak dobrana aby możliwe było uzyskanie
słabego sprzężenia pomiędzy warstwą zamocowaną i swobodną (co odpowiada grubości z
drugiego maksimum A-F). Dla takiego układu warstw sprzężonych pętla histerezy
magnetycznej i magnetorezystancyjnej jest dwustopniowa, ponieważ w polu bliskim zera
ulega przemagnesowaniu warstwa swobodna, a w wysokim polu warstwa zamocowana.
3. Symulacje oraz pomiary próbki 530
Rozważmy układ warstwowy próbki 530 (typu zawór spinowy – SV). Jego struktura
przedstawiona jest na rysunku 5.
Rys. 5. Struktura
warstwowa 530.
W układzie tym występują następujące warstwy: FL/S1/AP1/S2/AP2/AF, gdzie FL, AP1 i
AP2 to warstwy ferromagnetyczne, S1 i S2 są nieferromagnetycznymi przekładkami,
natomiast AF jest antyferromagnetykiem. Fenomenologicznie, energię na jednostkę
powierzchni takiego układu można opisać w następujący sposób:
E = KuFLdFLsin2ΘFL – MFLHdFL cos ΘFL – J1cos(ΘFL- ΘAP1) +
+ J1’cos2(ΘFL- ΘAP1) + KuAP1dAP1sin2ΘAP1 – MAP1H dAP1cosΘAP1 +
- J2cos(ΘAP2- ΘAP1) + KuAP2dAP2sin2 ΘAP +
(2.1)
– MAP2H dAP2cos ΘAP2 – J3cos(ΘAP2- ΘAF) + KuAFdAFsin2 ΘAF
We wzorze powyższym: ΘFL, ΘAP1, ΘAP2, ΘAF są odpowiednio kątami, jakie tworzą wektory
namagnesowania warstw FL, AP1, AP2 i AF z kierunkiem zewnętrznego pola
magnetycznego H. Kierunek pola magnetycznego jest równoległy do osi łatwej
namagnesowania warstwy swobodnej FL (z założenia osie łatwe warstw FL, AP1, AP2
pokrywają się). KuFL, KuAP1, KuAP2, KAF są stałymi anizotropii jednoosiowych odpowiednich
warstw, a J1, J2, J3 oznaczają odpowiednio stałe sprzężenia biliniowego między parami
warstw: FL i AP1, AP1 i AP2 oraz AP2 i AF. Oddziaływanie bikwadratowe pomiędzy
warstwami AP1 i FL parametryzowane jest stałą J1’. Grubości poszczególnych warstw
oznaczono jako dFL, dAP1, dAP2 i dAF.
Modelowanie i symulacje krzywych namagnesowania M(H) i magnetorezystancyjnych
R(H) polegają na obliczaniu lokalnego minimum energii danej wzorem 2.1 w funkcji kątów
ΘFL, ΘAP1, ΘAP2, ΘAF. Energia minimalizowana jest dla kolejnych wartości pola
magnetycznego, co pozwala na uzyskanie zależności magnetyzacji poszczególnych warstw (a
tym samym całego układu) w funkcji pola H. W najprostszym przypadku dwóch warstw
ferromagnetycznych (np. FL i AP1) magnetorezystancja dla danej wartości pola
magnetycznego wyliczana jest względem rezystancji odpowiadającej stanowi nasycenia
układu (równoległa orientacja magnetyzacji obu podwarstw) za pomocą zależności:
GMRAP1/S1/FL = R↑↑ + (R↑↓ - R↑↑)(1 – cos(θFL - θAP1))/2
(2.2)
Dla omawianego układu można przeprowadzić symulacje procesu przemagnesowania na
drodze minimalizacji całkowitej energii swobodnej E, wyrażonej formułą (2.1). Uzyskanie
wartości kątów ΘFL, ΘAP1, ΘAP2 odpowiadających minimum tak zdefiniowanej energii dla
kolejnych wartości zewnętrznego pola magnetycznego, pozwala na wysymulowanie pętli
histerezy, a co za tym idzie kształtu krzywej GMR(H). Do symulacji przełączeń służy
program magen2.
Aby otrzymać charakterystykę GMR układu 530 należy przyjąć następujące wartości:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
stała sprzężenia biliniowego warstw FL i AP1: J1 = 7*10-6 [J/m2]
stała sprzężenia biliniowego warstw AP1 i AP2: J2 = -0.4*10-3 [J/m2]
stała sprzężenia biliniowego warstw AP2 i AF: J3 = 0.3*10-3 [J/m2]
stała anizotropii warstwy FL: KuAP1 = 100 [J/m3]
stała anizotropii warstwy AP1: KuAP1 = 200 [J/m3]
stała anizotropii warstwy AP2: KuAP2 = 400 [J/m3]
stała anizotropii warstwy AF: KuAF = 18000 [J/m3]
grubość warstwy FL: KuAP1 = 0.8 [nm]
grubość warstwy AP1: KuAP1 = 2 [nm]
grubość warstwy AP2: KuAP2 = 2 [nm]
grubość warstwy AF: KuAF = 19.8 [nm]
wartości namagnesowania nasycenia MSFL1 =1T , MSAP1 =1.3T, MSAP2
=1.5 T oraz MSAF1 =0 T
Przykładowe charakterystyki pokazane są na rys. 6.
Rys. 6. Wynik symulacji namagnesowania i
rezystancji w funkcji indukcji pola magnetycznego.
Zmierzone charakterystyki pętli histerezy i GMR próbki 530 przedstawione są na rysunku 7.
Pomiary pętli zostały przeprowadzone za pomocą rezonansowego magnetometru z drgającą
próbką R-VSM (Resonance Vibration Magnetometr).
8
15
0.2
6
0.0
6
-40
-20
0
20
40
60
H[Oe]
0
4
GMR[%]
5
-0.4
5
7
-0.2
GMR[%]
m[emu]*10
-3
10
m[emu]*10-3
0.4
4
3
2
1
0
-1
-40
-20
0
20
40
60
H [O e]
2
-5
-10
0
-15
-10
-5
0
H[kOe]
5
10
-10
-5
0
H[kOe]
Rys. 7. Namagnesowanie oraz GMR w funkcji indukcji pola
magnetycznego próbki 530. Wstawione wykresy niskopolowe
5
10
Na rysunku 8 przedstawiono porównanie charakterystyk zmierzonych z charakterystykami
uzyskanymi w wyniku symulacji. Widoczne rozbieżności wynikają z zastosowania
przybliżonego modelu modelu jednodomenowego, podczas gdy rzeczywista próbka jest
obiektem wielodomenowym.
Rys. 8. Porównanie charakterystyk zmierzonych i symulowanych
próbki 530.
4. Zastosowanie SV-GMR jako głowicy odczytowej układu wielowarstwowego
Jednym z najważniejszych zastosowań efektu GMR są głowice odczytujące dysków
twardych, stosowanych w komputerach osobistych. Zaletą GMR oprócz większego sygnału
oraz opisanych wcześniej dużych zmian rezystancji w stosunkowo mało zmiennym polu, jest
możliwość znacznego zmniejszenia rozmiarów produkowanych głowic, co jednocześnie jest
dużym postępem na drodze do maksymalnego upakowania informacji na nośniku.
Schematycznie zasadę działania głowicy odczytującej dysku twardego, wykorzystującej efekt
GMR, ilustruje rysunek 9.
Rys. 9. Schemat czujnika odczytującego dysk twardy.
W tak zaprojektowanym nośniku informacja jest przechowywana w „magnetycznych”
bitach, tzn. konkretny zwrot wektora magnetyzacji obszaru bitu oznacza „1”, a zwrot
przeciwny jest równoważny logicznemu „0”. Obracający się talerz powoduje, że głowica
GMR zostaje po kolei poddana działaniu odpowiednio skierowanych pól magnetycznych
pochodzących od kolejnych obszarów bitowych. W ten sposób przemagnesowaniu może
ulegać warstwa swobodna elementu GMR, a co za tym idzie ma miejsce zmiana jego
rezystancji. Rejestrując prąd płynący przez element GMR jesteśmy w stanie odtworzyć
zakodowaną informację. Nowoczesne głowice odczytujące tego typu umożliwiają odczyt
informacji o gęstości zapisu nawet 100 Gbit/cal2.
5. Zapis informacji na dysku
Schemat głowicy dysku twardego przedstawiony jest na rysunku 10.
Rys. 10. Głowica zapisująco-odczytująca dysku twardego.
Odczyt danych z dysku dokonuje się poprzez sensor z zaworem spinowym GMR
opisywanym w punkcie 2 i 3. Do zapisu danych służy indukcyjna głowica cienkowarstwowa
(jej mikroskopijna cewka ma około 10 zwojów). Gdy na twardym dysku zapisywane są dane,
specjalny układ elektroniczny wysyła impulsy elektryczne do cewki. W ten sposób
indukowane jest pole magnetyczne, które przemagnesowuje lokalny obszar na dysku,
ustawiając odpowiednią wartość bitu.