Stanowisko do pomiaru magnetorezystancji elementu odczytowego głowicy dysku twardego

Transkrypt

1 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 (U R ) na próbce lub napięcia w konfiguracji efektu Halla (U H ), 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.

2 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 ).

3 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 H c (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

4 wykorzystania silnie rozcieńczonych wytrąceń ferromagnetycznych (rys.3.d) w metalach szlachetnych (np. Co 20 Ag 80 ), 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

5 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:

6 E = K ufl d FL sin 2 Θ FL M FL Hd FL cos Θ FL J 1 cos(θ FL - Θ AP1 ) + + J 1 cos 2 (Θ FL - Θ AP1 ) + K uap1 d AP1 sin 2 Θ AP1 M AP1 H d AP1 cosθ AP1 + - J 2 cos(θ AP2 - Θ AP1 ) + K uap2 d AP2 sin 2 Θ AP + (2.1) M AP2 H d AP2 cos Θ AP2 J 3 cos(θ AP2 - Θ AF ) + K uaf d AF sin 2 Θ AF We wzorze powyższym: Θ FL, Θ AP1, Θ AP2, Θ AF 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). K ufl, K uap1, K uap2, K AF są stałymi anizotropii jednoosiowych odpowiednich warstw, a J 1, J 2, J 3 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 J 1. Grubości poszczególnych warstw oznaczono jako d FL, d AP1, d AP2 i d AF. Modelowanie i symulacje krzywych namagnesowania M(H) i magnetorezystancyjnych R(H) polegają na obliczaniu lokalnego minimum energii danej wzorem 2.1 w funkcji kątów Θ FL, Θ AP1, Θ AP2, Θ AF. 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: GMR AP1/S1/FL = R + (R - R )(1 cos(θ FL - θ AP1 ))/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 Θ FL, Θ AP1, Θ AP2 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: J 1 = 7*10-6 [J/m 2 ] stała sprzężenia biliniowego warstw AP1 i AP2: J 2 = -0.4*10-3 [J/m 2 ] stała sprzężenia biliniowego warstw AP2 i AF: J 3 = 0.3*10-3 [J/m 2 ] stała anizotropii warstwy FL: K uap1 = 100 [J/m 3 ] stała anizotropii warstwy AP1: K uap1 = 200 [J/m 3 ] stała anizotropii warstwy AP2: K uap2 = 400 [J/m 3 ] stała anizotropii warstwy AF: K uaf = [J/m 3 ] grubość warstwy FL: K uap1 = 0.8 [nm] grubość warstwy AP1: K uap1 = 2 [nm] grubość warstwy AP2: K uap2 = 2 [nm] grubość warstwy AF: K uaf = 19.8 [nm] wartości namagnesowania nasycenia M SFL1 =1T, M SAP1 =1.3T, M SAP2 =1.5 T oraz M SAF1 =0 T

7 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) m[emu]* m[emu]* H[Oe] H[kOe] GMR[%] GMR[%] H[Oe] H[kOe] Rys. 7. Namagnesowanie oraz GMR w funkcji indukcji pola magnetycznego próbki 530. Wstawione wykresy niskopolowe 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.

8 Rys. 8. Porównanie charakterystyk zmierzonych i symulowanych próbki 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.

9 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/cal 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.