거대자기저항(GMR)

정의상 가정	spin dependent scattering(스핀 의존 산란) 스핀 전류(spin current)_spin polarized current(스핀 분극 전류), two current model(이중 전류 모델) 자기장(magnetic field)_비오-샤바르법칙(Biot Savart Law)_자석_패러데이 유도법칙 interlayer magnetic coupling (층간교환상호작용)
내용상 가정
공식
단위
응용	스핀 필터(spin filter) 스핀벨브 spin-transfer torque (STT)

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앞의 스핀 전류(spin current)_spin polarized current(스핀 분극 전류), two current model(이중 전류 모델)에서 전자의 스핀 방향에 따라 스핀 전류를 각각 정의할 수 있다고 했습니다.

이 스핀 전류를 이용하여 회로를 구성한 한 예를 자기저항이라 볼수있습니다.

즉 구조를 만들어서 전기적으로 자기 물질의 저항을 변화시키는 것입니다.

먼저 거대자기저항인 GMR이라는 것을 볼건데요...다음 그림을 보겠습니다.

GMR은 위와 같은 등가회로를 만들기위해 강자성체위에 비자성금속을 놓고 그위에 강자성체를 쌓은 구조입니다.

여기에 전자를 그림과 같이 이 layer를 통과하도록 전류를 흘린다면 등가회로가 완성됩니다.

이때 spin dependent scattering(스핀 의존 산란)에 의해 스핀 전류에서 스핀과 자기모멘트 방향이 평행(RP)하냐 반평행(RAP)하냐에 따라 저항이 다르게 나타납니다.(스핀 전류(spin current)_spin polarized current(스핀 분극 전류), two current model(이중 전류 모델)참조)

즉 이들을 공식화 한다면,

이고 이 두 저항의 비를 GMR비라 하여

여기서 쓰인 α는 스핀 비대칭 계수(spin asymmetry coefficient)라 하여

로 정의하고 일반적인 금속 인공격자에서는 α>1이나 Fe/Cr이나 Co/Ru과 같은 경우 α<1로 자화 방향과 스핀방향이 같을 때 더 많은 산란이 일어날 수도 있습니다.

외부 자기장이 없는 가장 초기 상태는 위 그림의 오른쪽과 같이 반평행한 자화배열을 가지게 하여 높은 저항을 만들고, 충분한 자기장을 인가하여 평행한 자화 배열을 가지게 하여 저항을 낮게 합니다.

외부자기장을 가할 때 저항의 상태는 아래 그래프와 같습니다.

이때 다층 박막구조에서는 층간교환상호작용이 매우 강해 평행한 자화 상태를 만드려면 큰 외부 자기장이 필요하다는 문제가 있습니다.

따라서 실제 소자로 제작하기 위해 이를 변형시킨 스핀벨브(spin valve)구조를 사용합니다.

 

또한 전류를 주입하는 방식도 두가지가 있습니다. 이를 Mott Device라 합니다.

아래 그림과 같이 면과 수평하게 주입하는 면수평 전류주입(current in the plane, CIP)과 면에 수직하게 주입하는 면수직 전류주입(current perpendicular to the plane, CPP)로 주입합니다.

참고로 CIP는 후에 스핀벨브(spin valve)로 CPP는 터널자기저항(TMR)로 쓰입니다.

CIP에서 전자의 평균자유행로(mean free path)가 자기 저항비를 결정합니다.

그러나 CPP는 스핀 확산 거리(spin diffusion length) 즉 전자가 스핀의 정보를 잃지 않고 이동할 수 있는 거리에 의해 자기 저항비가 결정됩니다. 이외 CPP에선 벌크의 스핀 의존 산란의 기여도 커서 CIP보다 높은 거대자기저항비를 갖습니다.(이전엔 계면의 스핀 의존 산란의 의존을 크게 했습니다.)

 

번외로 최근에 CIP를 아주 작게 만들었을때 FM이 아닌 부근(중간 층)에 전류를 주입했을때도 저항이 변화하는 것을 보고 mean free path보다 작은데, 전류가 위아래로 어떻게 가는지에 대한 이론적 고찰을 하고 있습니다.

 

추후 더 정확한 물리적 설명과 공식을 추가하겠습니다.

읽어주셔서 감사합니다!