CPP-Giant Magnetoresistance Calculation in Spin Valve Structure

บทคัดย่อ ค่าความต้านทานทางแม่เหล็กและอัตราส่วนค่าต้านทานทางแม่เหล็กขนาดใหญ่ในโครงสร้างสปินวาล์วสามารถพิจารณาได้จากพฤติกรรมการส่งผ่านสปินโดยมีค่าขึ้นอยู่กับอัตราการเปลี่ยนแปลงของค่าการสะสมสปินและกระแสสปิน งานวิจัยนี้ได้ศึกษาพฤติกรรมการส่งผ่านสปินของวัสดุแม่เหล็กโคบอลต์ นิกเกิลไอรอน โคบอลต์ไอรอนและโคบอลต์ไอรอนอะลูมิเนียมซิลิกอนในโครงสร้างสปินวาล์วด้วยการใช้แบบจำลองทั่วไปของการสะสมสปิน เพื่อพิจารณาค่า GMR ของวัสดุแม่เหล็กเฟอร์โรที่เหมาะสมสำหรับการประยุกต์ใช้ในหัวอ่านข้อมูล จากผลการศึกษาพบว่าพารามิเตอร์การส่งผ่านสปินของวัสดุเป็นตัวแปรที่สำคัญที่ส่งผลโดยตรงต่อค่าความต้านทานทางแม่เหล็กและค่า GMR ผลการคำนวณแสดงให้เห็นว่าโครงสร้างวัสดุแม่เหล็กฮอยเลอร์อัลลอยโคบอลต์ไอรอนอะลูมิเนียมซิลิกอนให้ค่าความต้านทานทางแม่เหล็กเชิงพื้นที่ที่ต่ำประมาณ 27 เฟมโตโอห์มต่อตารางเซนติเมตรซึ่งมีค่าน้อยกว่าโครงสร้างแม่เหล็กโคบอลต์ นิกเกิลไอรอน และโคบอลต์ไอรอนประมาณ 1 5 และ 16 เท่าตามลำดับ นอกจากนี้ยังพบว่ามีค่า GMR ที่สูงถึง 154 % ผลการคำนวณชี้ให้เห็นว่าโครงสร้างวัสดุแม่เหล็กฮอยเลอร์อัลลอยโคบอลต์ไอรอนอะลูมิเนียมซิลิกอนมีความเหมาะสำหรับการประยุกต์ใช้ในโครงสร้างสปินวาล์วของหัวอ่านข้อมูล   คำสำคัญ:  การสะสมสปิน ค่าความต้านทานทางแม่เหล็ก อัตราส่วนค่าต้านทานทางแม่เหล็กขนาดใหญ่ ABSTRACT   The magnetoresistance (MR) and giant magnetoresistance (GMR) ratio in spin-valve geometry can be considered from the spin transport behaviour which depends on the gradient of spin accumulation and spin current. The aim of this work is to investigate and compare the spin transport behaviour in spin valve structure with different materials; Co, NiFe, CoFe, and CoFeAlSi by using the generalised spin accumulation model in order to find the appropriated material for real devices. We found that the spin transport parameters of material are the main factors that affect the MR and GMR ratio. The result indicates that the CoFeAlSi heusler alloy structure gives the lowest resistance-area product (RA) of 27 f·Ohms/cm2 whereas the RA of Co, NiFe, and CoFe are 1, 5, and 16 times bigger, respectively. Furthermore, the GMR ratio of CoFeAlSi heusler alloy structure is found at 154%. Therefore, we suggest that the spin-valve structure based CoFeAlSi heusler alloy is the promising material for read sensor.   Keywords: spin accumulation, magnetoresistance, GMR rati

MODELS OF SPIN TORQUE USING SELF-CONSISTENT SOLUTIONS OF THE MAGNETISATION AND SPIN ACCUMULATION

A model of spin accumulation (m) is proposed to develop theoretical approaches to calculate the m in any arbitrary magnetic structure. The model is based on generalising the approach of Zhang, Levy and Fert (PRL 88, 236601, 2002). The calculation involves the layer-wise discretisation of the structure and the development of semi-analytical approaches to solve for the equilibrium m throughout the structure. Interestingly, the layer discretisation allows the treatment of diff�use interfaces using a gradual variation of the magnetic and transport properties across the interface. The e�ffect of the interfaces between a ferromagnet and a nonmagnet and between two ferromagnets on spin injection is investigated. The formalism for calculating the m is first generalised by taking m as the di�fference of spin-up and spin-down density of states, which is necessary for treating the interface between diff�erent ferromagnets. Then, the e�ffect of atomic species interdiffusion at the interface is included by using Ficks's law. It is shown that the discontinuity of the m at the interface depends strongly on the degree of interface mixing. Subsequently, current-induced domain wall (DW) motion in a ferromagnetic thin fi�lm driven by a spin-polarised current is investigated using an atomistic model coupled with a standard Landau-Lifshitz-Gilbert equation. The inclusion of the spin-transfer torque is represented as an additional �field. The m is calculated self-consistently and naturally includes the adiabatic and non-adiabatic contributions depending on the rate of change of magnetisation relative to the spin di�ffusion length. In this work, it is importantly found that the constants �x and �x used in the standard micromagnetic model do not provide a good description of the spin torque phenomenon due to the non-physical behaviour. Therefore, it is suggested to describe the spin-transfer torque directly from the m. Finally, the evolution of the magnetisation and m are demonstrated by introducing a spin-polarised current into a material containing a DW whose width is varied by changing the anisotropy constant. It is found that the adiabatic spin torque tends to develop in the direction of the magnetisation whereas the non-adiabatic spin torque arising from the mistracking of conduction electrons and local magnetisation results in out-of-plane magnetisation components. However, the adiabatic spin torque signifi�cantly dominates the dynamics of magnetisation. The total spin torque acting on the magnetisation increases with anisotropy constant due to the increasing magnetisation gradient. This leads to increasing DW displacement

Model of advanced recording media : The angular dependence of the coercivity including the effect of exchange interaction

We use a micromagnetic model based on the kinetic Monte-Carlo approach to investigate theoretically the magnetic properties of advanced recording media. The model is employed to examine the impact of the magnetostatic and exchange interaction between grains of realistic perpendicular recording media on the angular-dependent coercivity since the exchange field between grains is an important factor in recording performance. The micromagnetic model allows to take the easy axis distribution and the exchange interaction between grains into account. The results confirm the importance of exchange interaction since the variation of coercivity with angle between the applied field and the orientation of easy axis which is perpendicular to the film plane, (θ) is seen to broaden with decreasing exchange field. We show that a two-stage fitting procedure involving the separate determination of the exchange field and easy axis dispersion provides a useful tool for the characterization of media for perpendicular recording and heat assisted recording. We find excellent agreement between previous experimental results and the simulations including exchange interactions leading to estimate of the exchange coupling and easy axis dispersion

Granular micromagnetic model for perpendicular recording media : Quasi-static properties and media characterisation

Granular magnetic recording media with perpendicular anisotropy are the basis of information storage in hard drive. This is the case for current media and future technologies such as heat assisted magnetic recording, microwave assisted magnetic recording and heated dots. It is therefore important to understand the common methods of media characterisation, which often use quasi-static magnetic measurements. A granular micromagnetic model based on the kinetic Monte Carlo approach is developed to investigate the timescales relevant to these measurements. The model is used to investigate the effects of the microstructure and the intergranular interactions on the magnetic properties including the angular dependence of the magnetisation and the time dependence of the coercivity. The latter is shown to be strongly dependent on intergranular interactions

The Study of Exchange Bias Phenomenon in Read Head via the Realistic Micromagnetic Model

บทคัดย่อ ในงานวิจัยนี้ได้นำเสนอแบบจำลองทางแม่เหล็กเสมือนจริงระดับจุลภาคซึ่งถูกประยุกต์ใช้ในการศึกษาปรากฏการณ์ไบอัสแลกเปลี่ยนในโครงสร้างวัสดุแม่เหล็กสองชั้นประกอบด้วยวัสดุแม่เหล็กโคบอลต์ไอรอนที่เชื่อมต่อกับวัสดุแม่เหล็กอิริเดียมแมงกานีสซึ่งเป็นวัสดุแม่เหล็กที่ถูกนำไปใช้ในหัวอ่านข้อมูลฮาร์ดดิสก์ไดร์ฟ วัสดุแม่เหล็กโคบอลต์ไอรอนและวัสดุแม่เหล็กอิริเดียมแมงกานีสเป็นวัสดุแม่เหล็กเฟอร์โรแมกเนติกและแอนติเฟอร์โรแมกเนติกตามลำดับที่มีคุณสมบัติทางแม่เหล็กที่แตกต่างกัน งานวิจัยนี้ได้นำเสนอรูปแบบจำลองทางแม่เหล็กเสมือนจริงระดับจุลภาคซึ่งสามารถอธิบายพฤติกรรมทางแม่เหล็กของวัสดุทั้งสองได้อย่างถูกต้อง ในการศึกษาปรากฏการณ์ไบอัสแลกเปลี่ยน สำหรับวัสดุแม่เหล็กเฟอร์โรแมกเนติกพลวัตของแมกนิไทเซชันสามารถถูกอธิบายได้ด้วยสมการแลนดอว์-ลิฟชิทซ์-กิลเบิร์ต ในขณะที่วัสดุแม่เหล็กแอนติเฟอร์โรแมกเนติกจะเลือกใช้วิธีมอนติคาร์โลเชิงจลน์ในการอธิบาย นอกจากนี้แบบจำลองที่ถูกนำเสนอขึ้นมานี้ยังได้รับการพัฒนาให้สามารถควบคุมพารามิเตอร์ของระบบได้อย่างมีความเสมือนจริง ได้แก่ ขนาดของโครงสร้างของระบบ ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของเกรนแม่เหล็ก การกระจายตัวขนาดของเกรนแม่เหล็กและผลของการตัดเกรนแม่เหล็กที่บริเวณขอบของฟิล์มแม่เหล็ก แบบจำลองทางแม่เหล็กเสมือนจริงระดับจุลภาคถูกนำไปใช้ในการคำนวณค่าสนามไบอัสแลกเปลี่ยนเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของค่าสนามแลกเปลี่ยนระหว่างชั้นวัสดุและขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของเกรนแม่เหล็ก ผลการคำนวณให้ค่าที่สอดคล้องกับทฤษฎีและผลการทดลองเป็นอย่างดี นอกจากนี้ยังได้ทำการพิจารณาผลของลักษณะของโครงสร้างที่มีการตัดเกรนแม่เหล็กที่บริเวณขอบฟิล์มในโครงสร้างที่มีขนาดเล็กลงพบว่าค่าสนามไบอัสแลกเปลี่ยนของโครงสร้างที่มีการพิจารณาผลของการตัดเกรนแม่เหล็กจะมีค่าต่ำกว่าค่าสนามไบอัสแลกเปลี่ยนของโครงสร้างที่ไม่มีการพิจารณาผลของการตัดเกรนแม่เหล็กที่ขอบฟิล์มถึง 20 เปอร์เซ็นต์เนื่องจากปริมาตรของเกรนแม่เหล็กที่บริเวณขอบถูกตัดออกไปจากโครงสร้างขนาดเล็กนั้นมีปริมาณที่สูงมากเมื่อเปรียบเทียบกับปริมาตรของเกรนแม่เหล็กภายในระบบ ABSTRACT In this work we propose the realistic micromagnetic model used to study the exchange bias phenomenon in magnetic bilayer system such as CoFe coupled with IrMn for read head sensor in hard disk drive. CoFe and IrMn are ferromagnetic and antiferromagnetic materials respectively which have the different magnetic properties. We propose the realistic micromagnetic model which can describe the magnetic behavior for both materials for the study of exchange bias phenomena. For ferromagnetic material, the dynamics of the magnetization is explained by Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG) equation meanwhile the kinetic Monte Carlo method is used for antiferromagnetic material. Moreover, this model has been modified to control the parameters of the system such as system size, grain diameter, grain size distribution and grain cutting at the edges of the structures. The micromagnetic model is used to investigate the exchange bias field ( ) due to the effects of exchange interlayer field ( ) and grain diameter. The results give good agreement with the theoretical and experiment works. In addition, the effect of grain cutting in small scale system is considered. We found that the for system including etching effect reduces 20 percent of no etch effect structure because the volume of the cutting area is comparable with the total area

Hybrid Design for Advanced Magnetic Recording Media : Combining Exchange-Coupled Composite Media with Coupled Granular Continuous Media

In order to enhance the performance of advanced granular recording media and understand the physics behind the mechanism of the reversal process, an atomistic spin-dynamics simulation is used to investigate theoretically the magnetic properties and the magnetization-reversal behavior for a composite media design. This model allows us to investigate the effect of the magnetostatic interaction and inter- and intralayer exchange coupling for a realistic system. The composite granular medium investigated consists of hard and soft composite layers in which the grains are well segregated with a continuous capping layer deposited to provide uniform exchange coupling. We present a detailed calculation aimed to reveal the reversal mechanism. In particular, the angular dependence of the critical field is investigated to understand the switching process. The calculations show a complex reversal mechanism driven by the magnetostatic interaction. It is also demonstrated, at high sweep rates consistent with the recording process, that thermal effects lead to a significant and irreducible contribution to the switching field distribution

Realistic micromagnetic model by York Protocol for the calculation of blocking temperature of exchange bias layer in read element

In this work, we aim to develop and propose a granular micromagnetic model of the exchange bias layer, consisting of coupled antiferromagnetic (AF) and ferromagnetic (FM) layers, which is the main component of read head of hard disk drive. The proposed model is developed following the new procedure of exchange bias measurement called York protocol. It can predict the reproducible value of exchange bias field ( ) and blocking temperature ( ) leading to the study of thermal stability of exchange bias system. The dynamics of AF and FM layers is treated by using the kinetic Monte Carlo method and stochastic-Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG) equation respectively due to their different magnetic properties. In order to calculate the blocking temperature of the system, the granular model based York protocol is first used to find the measurement temperature at which the thermal activation is removed from the system during the measurement of exchange bias field and coercivity. The IrMn/CoFe exchange bias layers is investigated in this work which is the current materials in real devices. The results show that the values of and from the model are consistent with the experimental work. The calculation of for IrMn/CoFe exchange bias system with the thickness of 8 and 4 nm respectively is 414 Kelvin giving good agreement with experiment. This shows that the proposed model is a significant tool for predicting the reproducible value of of and and it is capable for real experiment

Effect of Easy Axis Distribution on Exchange Bias Phenomenon in Read Element via the Granular Model

บทคัดย่อ แบบจำลองแกรนูลาร์ในระดับจุลภาคซึ่งมีพื้นฐานจากสมการพลศาสตร์การเคลื่อนที่ของแลนดอว์-ลิฟชิทซ์-กิลเบิร์ตถูกเสนอขึ้นเพื่อใช้สำหรับการศึกษาสมบัติแม่เหล็กพื้นฐาน เนื่องจากปรากฏการณ์ไบอัสแลกเปลี่ยนในระบบโครงสร้างวัสดุสองชั้นที่ประกอบด้วยวัสดุแม่เหล็กเฟอร์โรแมกเนติกและวัสดุแม่เหล็กแอนติเฟอร์โรแมกเนติก ซึ่งเป็นองค์ประกอบที่สำคัญของโครงสร้างหัวอ่านข้อมูลฮาร์ดดิสก์ไดร์ฟ แบบจำลองที่ถูกสร้างขึ้นนี้สามารถจำลองลักษณะโครงสร้างวัสดุที่มีความเสมือนจริงได้ โดยการรวมผลของการกระจายตัวของขนาดของเกรนภายในระบบรวมทั้งผลการกระจายตัวของทิศแกนง่ายภายในชั้นวัสดุแม่เหล็กแอนติเฟอร์โรแมกเนติกได้ นอกจากนี้ ยังสามารถรวมผลของการเกิดอันตรกิริยาระหว่างเกรนและอันตรกิริยาระหว่างชั้นวัสดุเพื่อให้การคำนวณมีค่าเสมือนจริงได้อีกด้วย จากการศึกษาพบว่าปัจจัยที่สำคัญได้แก่ ระยะเวลาที่ใช้ในการคำนวณวงปิดฮิสเทอรีซีส ขนาดของเกรนเฉลี่ย และปริมาณสนามแลกเปลี่ยนระหว่างชั้นวัสดุส่งผลกระทบอย่างมากต่อคุณสมบัติทางแม่เหล็กของโครงสร้างวัสดุแม่เหล็กสองชั้น โดยผลการคำนวณให้ผลที่สอดคล้องกับผลการทดลองได้เป็นอย่างดี นอกจากนี้ ยังพบว่าผลการกระจายตัวของทิศแกนง่ายส่งผลต่อการลดลงของสนามไบอัสแลกเปลี่ยนมากถึง 60% เมื่อมุมของการกระจายตัวมีค่าเท่ากับ 30 องศา สาเหตุเนื่องมาการกระจายตัวของทิศแกนง่ายของแมกนิไทเซชันในชั้นแม่เหล็กแอนติเฟอร์โรแมกเนติกส่งผลให้เกิดการลดลงของผลรวมสุทธิของปริมาณแมกนิไทเซชันในชั้นแอนติเฟอร์โรแมกเนติก จึงทำให้สามารถสรุปได้ว่าผลการกระจายตัวของทิศแกนง่ายเป็นอีกหนึ่งปัจจัยที่ส่งผลอย่างมากต่อการเกิดปรากฏการณ์ไบอัสแลกเปลี่ยนในหัวอ่านข้อมูลของฮาร์ดดิสก์ไดร์ฟ   คำสำคัญ:  สมการแลนดอว์–ลิฟต์ชิทส์–กิลเบิร์ต  การกระจายตัวของทิศแกนง่าย สนามไบอัสแลกเปลี่ยน ABSTRACT   The granular model at micromagnetic level based on Landau-Liftshitz-Gilbert (LLG) equation is proposed to investigate the fundamentally magnetic properties in exchange-biased bilayer system comprised of ferromagnetic (FM) and antiferromagnetic (AF) layers which are the main component of hard disk drive. The proposed model can be used to generate the realistic microstructure, including the distribution of grain size as well as the easy axis misorientation in AF layer. Moreover, the intragranular and interlayer exchange interactions are also included into the model for realistic calculation.  The results showed that the vital factors such as the calculation time for hysteresis calculation, the magnetic grain size, and the exchange interlayer field significantly affected the exchange bias field, and all calculations gave good agreement with the other experimental works on exchange bias as well. In addtion, we found that the effect of easy axis misorientation gave rise to the reduction of exchange bias field over 60 percentages at the dispersion angle of 30 degrees. This is due to the fact that the dispersion of easy axis in AF layer causes the decrease of net AF magnetization used to pin the direction of FM layer. In conclusion, the easy axis misorientation in AF layer is the one of crucial factors affecting on the exchange bias phenomenon of read element in hard disk drive.   Keywords: Landau – Liftshitz – Gilbert equation, easy axis misorientation, exchange bias fiel

Magnetisation switching dynamics induced by combination of spin transfer torque and spin orbit torque

We present a theoretical investigation of the magnetisation reversal process in CoFeB-based magnetic tunnel junctions (MTJs). We perform atomistic spin simulations of magnetisation dynamics induced by combination of spin orbit torque (SOT) and spin transfer torque (STT). Within the model the effect of SOT is introduced as a Slonczewski formalism, whereas the effect of STT is included via a spin accumulation model. We investigate a system of CoFeB/MgO/CoFeB coupled with a heavy metal layer where the charge current is injected into the plane of the heavy metal meanwhile the other charge current flows perpendicular into the MTJ structure. Our results reveal that SOT can assist the precessional switching induced by spin polarised current within a certain range of injected current densities yielding an efficient and fast reversal on the sub-nanosecond timescale. The combination of STT and SOT gives a promising pathway to improve high performance CoFeB-based devices with high speed and low power consumption

Heusler-alloy-based magnetoresistive sensor with synthetic antiferromagnet

Heusler alloy has been widely utilized in magnetoresistive sensors to enhance the device performance. In this work, we theoretically investigate the performance of Heusler-alloy-based magnetoresistive sensors with a synthetic antiferromagnet (SAF) layer. The atomistic model combined with the spin accumulation model will be used in this work. The former is used to construct the reader stack and investigate the magnetization dynamics in the system. The latter is employed to describe the spin transport behavior at any position of the structure. We first perform simulations of the exchange bias (EB) phenomenon in the IrMn/Co2FeSi (CFS) system providing a high EB field. Then, a realistic reader stack of IrMn/CFS/Ru/CFS/Ag/CFS is constructed via an atomistic model. Subsequently, the resistance-area product (RA) and magnetoresistance (MR) ratio of the reader can be calculated by using the spin accumulation model. As a result of the spin transport behavior in the Heusler-alloy-based reader stack including SAF structure at 0 K, an enhancement of the MR ratio up to 120% and RA < 40 mΩ · µm2 can be observed. This study demonstrates the important role of the Heusler alloy and SAF layer in the development of magnetoresistive sensors for the application of readers in hard disk drives with an areal density beyond 2 Tb in−2