The study of exchange bias phenomenon in read head via the realistic micromagnetic model

Abstract

Exchange bias occurs when a ferromagnetic (FM) layer is grown in direct contact with an antiferromagnetic (AF) layer after field cooling process. The exchange bias layer is usually used as read sensor in hard disk drives (HDDs) or in magnetoresistive random-access memories (MRAMs) to pin the direction of magnetisation in the FM layer. Due to the shrink of bit size in current media dawn to 30 nm, the dimension of the read element is also reduced. The experimental investigation on the exchange bias becomes more complicated at these dimensions, therefore, a theoretical magnetic model are an important role in the study of the exchange bias system. However, the behaviour of exchange bias in sub-50 nm structures is not well understood because standard micromagnetic model do not consider the effect of grain cutting at edge of the structure and exchange interaction between FM and AF layers. In this work we propose a realistic micromagnetic model which has been modified to take into account the grain cutting at the edges and exchange interaction. Moreover, this model allows to include the process of grain setting before starting the measurement of exchange bias field (HEB). The proposed model is used to study the effect of the in-plane system size, AF thickness, grain diameter, grain size distribution and exchange interlayer field on HEB. HEB is found to decrease with decreasing system size because the volume of cutting grain at edge has increase and the number of grains in system is reduced according to the other experiment and theoretical works. HEB increases sharply with increasing AF thickness and reaches the maximum at AF thickness of 8 nm because the thermal stability of grain increases. For the thicker AF layer, HEB decreases slightly because the grain magnetisation cannot be set. Furthermore, the number of unstable grains can be reduced with increasing grain diameter, grain size distribution and exchange interlayer field. The calculation results agree with other experimental and theoretical works.

ปรากฏการณ์ไบอัสแลกเปลี่ยนเกิดขึ้นเมื่อวัสดุแม่เหล็กเฟอร์โรแมกเนติก (ferromagnetic; FM) เชื่อมต่อกับวัสดุแม่เหล็กแอนติเฟอร์โรแมกเนติก (antiferromagnetic; AF) หลังจากกระบวนการฟิลด์คลูลิ่ง (field cooling) ปรากฏการณ์ไบอัสแลกเปลี่ยนถูกประยุกต์ใช้ในเซนเซอร์หัวอ่านข้อมูลของฮาร์ดดิสก์ไดร์ฟและหน่วยความจำเข้าถึงแบบสุ่มเพื่อยึดทิศทางของแมกนิไทเซชันใน FM ในปัจจุบันขนาดของบิตข้อมูลลดลงไปถึง 30 นาโนเมตรซึ่งทำให้องค์ประกอบหลักในส่วนของหัวอ่านข้อมูลมีขนาดที่ลดลงตามไปด้วย ในการศึกษาปรากฏการณ์ไบอัสแลกเปลี่ยนในโครงสร้างระดับจุลภาคมีความซับซ้อนเป็นอย่างมากดังนั้นแบบจำลองแม่เหล็กทางทฤษฎีจึงเข้ามามีบทบาทสำคัญในการศึกษาปรากฏการณ์ไบอัสแลกเปลี่ยน แต่อย่างไรก็ตามเมื่อขนาดของโครงสร้างมีขนาดลดลงน้อยกว่า 50 นาโนเมตรพบว่าปรากฏการณ์ไบอัสแลกเปลี่ยนไม่สามารถอธิบายได้อย่างถูกต้องเนื่องจากแบบจำลองทางแม่เหล็กมาตรฐานระดับจุลภาคไม่ได้ทำการพิจารณาผลของการตัดเกรนที่ขอบของโครงสร้างและอันตรกิริยาแลกเปลี่ยนระหว่างชั้นวัสดุ ในงานวิจัยนี้จึงได้นำเสนอแบบจำลองทางแม่เหล็กเสมือนจริงระดับจุลภาคที่ถูกพัฒนาให้สามารถพิจารณาผลของการตัดเกรนที่บริเวณขอบของโครงสร้างและอันตรกิริยาแลกเปลี่ยนระหว่างชั้นวัสดุที่มีความเสมือนจริง ยิ่งไปกว่านั้นแบบจำลองดังกล่าวยังได้รวมเอากระบวนการเซตเกรนแม่เหล็กก่อนทำการวัดค่าสนามไบอัสแลกเปลี่ยน (HEB) แบบจำลองที่ได้นำเสนอถูกใช้ในการศึกษาปัจจัยที่ส่งผลต่อค่า HEB ได้แก่ ขนาดของโครงสร้าง ความหนาของชั้น AF ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของเกรน การกระจายตัวขนาดของเกรนและสนามแลกเปลี่ยนระหว่างชั้นวัสดุ จากผลการศึกษาพบว่าค่า HEB มีค่าลดลงด้วยการลดลงของขนาดของโครงสร้างเนื่องจากปริมาตรของการตัดเกรนที่บริเวณขอบของโครงสร้างมีค่าเพิ่มขึ้นในขณะที่เกรนภายในระบบมีจำนวนลดลง นอกจากนั้นยังพบว่าค่า HEB เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วด้วยการเพิ่มขึ้นของความหนาของชั้น AF และมีค่าสูงสุดที่ความหนาเท่ากับ 8 นาโนเมตรเนื่องจากเสถียรภาพทางความร้อนของเกรนมีค่าเพิ่มขึ้นแต่เมื่อชั้น AF มีความหนาที่มากขึ้นกลับพบว่า HEB มีค่าลดลงเนื่องจากเสถียรภาพทางความร้อนของเกรนสูงเกินไปจนไม่สามารถเซตทิศทางของแมกนิไทเซชันได้ นอกจากนั้นจำนวนของเกรนที่ไม่มีเสถียรภาพทางความร้อนยังสามารถลดลงโดยการเพิ่มเส้นผ่านศูนย์กลางของเกรน การกระจายตัวของเกรนและสนามแลกเปลี่ยนระหว่างชั้นวัสดุซึ่งนำไปสู่การเพิ่มขึ้นของค่า HEB ซึ่งผลการคำนวณผ่านรูปแบบจำลองเสมือนจริงให้ผลที่สอดคล้องกับการทดลองเเละทฤษฎี