Гигантский магниторезистивный эффект

Очевидно, что при помещении такой многослойной структуры в магнитное поле с напряженностью H в ферромагнитных слоях возникает несколько противоречивая ситуация. То есть, с одной стороны – взаимодействие между слоями стремится сориентировать намагниченности антипараллельно, а с другой – внешнее магнитное поле стремится создать параллельную ориентацию. В результате угол между намагниченностями соседних ферромагнитных слоев с ростом напряженности H постепенно изменяется от 180° (при H =0) до 0° (при достижении поля насыщения H = H _нас), а сопротивление многослойной структуры падает до 20 %. Как и во многих других подобных случаях, здесь изменение сопротивления от напряженности магнитного поля удобно выражать в относительных единицах или процентах:

(5.1)

где R (0) и R (H _нас) – сопротивление датчика при нулевом магнитном поле и насыщающем поле с напряженностью H _нас соответственно.

На рис. 5.2, б представлена ситуация, когда внешнее магнитное поле полностью переориентировало намагниченность нижней пластины. Если направление внешнего поля H противоположно обозначенному на рис. 5.2, б, сопротивление датчика будет также изменятся, но намагничиваться слои будут в противоположную сторону. Таким образом, изначально GMR -элементы не чувствительны к знаку измеряемого магнитного поля. Характер типичной зависимости магнитосопротивления от поля H приведен на рис. 5.2, в.

Величина GMR -эффекта падает по мере роста толщины немагнитной прослойки и становится практически несущественной при толщине превышающей ~10 нм. Внешнее поле, направленное перпендикулярно к слоям датчика, вызывает небольшое изменение сопротивления. Поэтому элементы, построенные на базе GMR -эффекта наиболее чувствительны к компоненте магнитного поля, направленной вдоль длины ферромагнитной пленки.

Далее рассмотрим качественную модель GMR -эффекта, объясняющую принцип действия элементов, построенных на его основе. Итак, проводимость между ферромагнитными слоями осуществляется через обменное взаимодействие электронов проводимости прослойки, или так называемое взаимодействие Рудермана-Киттеля-Касуйя-Иосиды. Так как каждый ферромагнитный слой магниторезистора намагничен в определенном направлении, то спины электронов ориентированы преимущественно в одном направлении. Поэтому все электроны можно разделить на две группы: к первой принадлежит большинство электронов, то есть те, у которых спин ориентирован в преимущественном направлении, а ко второй – электроны меньшинства, у которых спины ориентированы в противоположном направлении.

В качестве примера, рассмотрим GMR -элемент, состоящий из двух одинаковых ферромагнитных и одного немагнитного слоев. В процессе своего движения электроны переходят из одного ферромагнитного слоя в другой. В каждом слое электроны большинства и электроны меньшинства имеют разное время свободного пробега: τ _б и τ _м соответственно. Из-за этого обменное взаимодействие возможно только между электронами большинства каждой из ферромагнитных пластин, а также электронами меньшинства каждой из пластин. Будем считать, что число электронов большинства каждой из пластин одинаково (или разность не существенна) и равно также число электронов меньшинства пластин.

Если намагниченности ферромагнитных слоев параллельны, как показано на рис. 5.2, б, то электроны большинства первого слоя являются таковыми и во втором слое. Поскольку электроны переходят из слоя в слой, их вклад в электропроводность можно оценить как в случае последовательного соединения резисторов (эквивалентная схема представлена на рис. 5.3, а).

В этом случае:

R _б = r _б+ r _пр+ r _б,

где r _б и r _пр – сопротивление, создаваемое электронами большинства в ферромагнитном слое и сопротивление прослойки соответственно.

Рис. 5.3. Эквивалентные электрические схемы GMR -элемента

Аналогично, для электронов меньшинства справедливо записать:

R _м = r _м+ r _пр+ r _м,

тогда полное сопротивление датчика R _пар, для случая параллельно ориентированных намагниченностей определится как параллельное сопротивление R _б и R _м:

(5.2)

Если же намагниченности слоев антипараллельны (рис. 5.2, а), то электроны большинства в первом слое являются электронами меньшинства во втором. В этом случае имеет место, эквивалентная схема, представленная на рис. 5.3, в, а полное сопротивление GMR -элемента определится в соответствии с выражением (5.3).

(5.3)

Так как антипараллельную намагниченность ферромагнитные слои имеют при отсутствии магнитного поля (H =0), а параллельную при напряженности поля H ≥ H _нас, то с учетом формул (5.1)–(5.3) получаем величину максимального изменения GMR -сопротивления (5.4).

(5.4)

Вариант многослойной структуры GMR -элемента, показанный на рис. 5.2, не является единственным. В зависимости от используемых материалов и наличия дополнительных слоев возможны различные структуры, наиболее элементарная из которых – чередование ферромагнитных и немагнитных слоев токопроводящих слоев уже была рассмотрена. Как упоминалось, изначальное состояние подобных структур таково, что соседние ферромагнитные слои намагничены антипараллельно, причем такое состояние намагниченности устойчиво. (Чтобы переориентировать намагниченность слоев на параллельную, требуется приложить магнитное поле, напряженностью несколько кА/м. GMR -эффект в таких устройствах составляет 4 – 9 %) [18].

Повысить чувствительности магниторезисторов данного класса возможно, используя в магнитных слоях два типа ферромагнетиков с различными коэрцитивными силами, например NiFe/Cu/Co/Cu… [19]. Рабочий диапазон таких GMR -элементов находится между двумя значениями коэрцитивной силы. Под воздействием внешнего поля меняет направление намагниченности только ферромагнитный слой с меньшей коэрцитивной силой.

Добавив антиферромагнитные слои в GMR -элементы можно уменьшить гистерезис и повысить линейность функции преобразования магниторезисторов. Их структура состоит из ферромагнитных пар, разделенных антиферромагнитными прослойками 1.5–2 нм. На сегодняшний день известны следующие сочетания слоев: NiFeCo/CoFe/Cu/CoFe/NiFeCo…
(где NiFeCo – антиферромагнетик). Типичная напряженность поля насыщения подобных GMR -резисторов 20 кА/м. Такая структура наиболее распространена в современных сенсорах, построенных на базе GMR -эффекта и выпускаемых серийно.

Добавление к одной из ферромагнитных пленок дополнительного «скрепляющего» слоя из антиферромагнитного материала (например, FeMn или NiO) позволяет зафиксировать направление намагниченности в ферромагнитном слое. В этом случае закрепленный слой становится менее чувствительным к внешнему магнитному полю. Направление намагниченности в другом «свободном» ферромагнитном слое будет изменяться под воздействием сравнительно небольшого внешнего поля. Относительное направление намагниченности в ферромагнитных пленках может меняться от антипараллельного до параллельного с изменением сопротивления магниторезистора от 4 до 20 %. Рассмотренные структуры GMR -элементов не чувствительны к знаку магнитного поля. Если в «закрепленном» слое зафиксировать направление намагниченности перпендикулярно направлению намагниченности в «свободном» слое, то магниторезистор обретет чувствительность к знаку поля. Особенностями магниторезисторов данной структуры являются небольшие значения гистерезиса и напряженности поля насыщения ~0.8 – 6 кА/м.