Spin Transport in The Reader of Hard Disk Drive

Abstract

Study of spin transport behavior in magnetic structure becomes important for development and design of read head in hard disk drive since the read back signal can be detected from the magnetoresistance (MR) change. In this work, we have theoretically and experimentally investigated MR phenomenon. It can be theoretically studied and described by employing the atomistic model coupled with the spin transport model. The MR and MR ratio are calculated from the gradient of spin accumulation and spin current. Firstly, we consider the MR and MR ratio in the current perpendicular to plane giant-magnetoresistance (CPP-GMR) structure, FM/NM/FM. The results show that MR ratio depends on the type and spin transport properties of material, the film thicknesses and temperature. The MR ratio is likely to increase with decreasing spin dephasing and increasing spin polarization. We found that the spin valve structure with Heusler alloys provides high spin polarization resulting in low resistance-area product (RA) and high MR ratio. Additionally, the interdiffusion of the FM/NM/FM interface gives rise to large spin scattering significantly enhancing the MR ratio. The results also indicate that the MR ratio is thickness dependent. It directly proportional to free layer (FL) thickness and becomes saturated when FL thickness is much larger than the spin diffusion length. Whereas, it is inversely proportional to the thickness of spacer layer. Furthermore, the effect of temperature on the readback signal via RA and MR ratio is investigated. The RA increases and MR ratio decreases at high temperature due to the reduction in magnetic and spin transport properties of materials. To verify the correctness of the proposed model, the read heads with different condition from industry are experimentally studies by measuring MR and MR ratio by using ISI instrument. According to the measurements, the finite size effect can be observed. The low read back signal, high RA and low MR ratio, can be found in small read head (RW of 26 nm) with large shield-to-shield spacing. The performance of the read head is relied on the reader heater and bias voltage. The MR ratio is inversely proportional to the temperature of reader heater and bias voltage. These results give the same trend with the simulations.

Finally, we study the root cause of the reader noise. The noise amplitudes are proportional to temperature and it can be reduced by applying the hard bias fields to decrease the thermal fluctuation effect. This research emphasizes the importance of spin transport behavior in spin-valve structure in relation to the performance of the read head in hard disk drive. The proposed method gives the new path and the possibility to develop the next generation reader with the requirement of high areal density and high read back signal. This also allows us to deeply understand the fundamental mechanism behind the operation of read head which is significantly beneficial in next-generation reader design.

การศึกษาพฤติกรรมการส่งผ่านสปินมีความสำคัญต่อการออกแบบและพัฒนาหัวอ่านข้อมูลในฮาร์ดดิสก์ไดร์ฟ เนื่องจากการแสดงค่าสัญญาณการอ่านข้อมูลจะอาศัยการเปลี่ยนแปลงค่าความต้านทานทางแม่เหล็ก (magnetoresistance, MR) งานวิจัยนี้ได้ทำการศึกษาปรากฏการณ์ค่าความต้านทานทางแม่เหล็กในเชิงทฤษฎีและการทดลอง การศึกษาเชิงทฤษฎีจะพิจารณาพฤติกรรมการส่งผ่านสปินของวัสดุด้วยแบบจำลองในระดับอะตอมร่วมกับแบบจำลองการสะสมสปิน โดยแบบจำลองระดับอะตอมจะถูกนำมาใช้ในการพิจารณาพลวัตของแมกนีไทเซชันและแบบจำลองการสะสมสปินจะถูกนำมาใช้ในการอธิบายพฤติกรรมการส่งผ่านสปิน จากนั้นค่า MR และอัตราส่วน MR จะสามารถคำนวณได้จากการเปลี่ยนแปลงของค่าการสะสมสปินและกระแสสปิน งานวิจัยได้ทำการศึกษาการเกิดปรากฏการณ์ค่าความต้านทานทางแม่เหล็กขนาดใหญ่โดยทำการป้อนกระแสไฟฟ้าในทิศทางฉากกับระนาบของโครงสร้างวัสดุ (current perpendicular to plane giant-magnetoresistance, CPP-GMR) ผลการศึกษาพบว่าค่าอัตราส่วน MR จะมีค่าขึ้นอยู่กับชนิดและคุณสมบัติการส่งผ่านสปินของวัสดุ ความหนาของชั้นฟิล์มและอุณหภูมิ โดยค่าอัตราส่วน MR จะมีค่าสูงในวัสดุที่มีระยะดีเฟสซิงที่ต่ำและค่าสปินโพลาไรเซชันที่สูง ผลการคำนวณแสดงให้เห็นว่าวัสดุแม่เหล็กฮอยเลอร์อัลลอยด์ซึ่งมีค่าสปินโพลาไรเซชันที่สูงจะทำให้เกิดค่าความต้านทานทางไฟฟ้าเชิงพื้นที่ (resistance-area product, RA) ที่ต่ำและค่าอัตราส่วน MR ที่สูงกว่าการใช้วัสดุแม่เหล็กเฟอร์โรปกติ จากนั้นเมื่อทำการพิจารณาผลของความหนาของชั้นฟิล์มในโครงสร้างสปินวาล์วที่มีต่อค่า MR พบว่าอัตราส่วน MR จะมีค่าขึ้นอยู่กับการกระเจิงของสปินในบริเวณรอยต่อซึ่งจะสัมพันธ์กับความหนาของบริเวณรอยต่อระหว่างชั้นวัสดุ นอกจากนี้ยังพบว่าค่าอัตราส่วน MR จะมีค่าแปรผันตรงกับความหนาของชั้นอิสระและจะมีแนวโน้มคงที่เมื่อความหนาของชั้นอิสระมีค่ามากกว่าระยะการแพร่ของสปิน แต่ค่าอัตราส่วน MR จะมีค่าแปรผกผันกับความหนาของชั้นสเปสเซอร์ และเมื่อทำการศึกษาผลของความร้อนที่มีต่อประสิทธิภาพการทำงานของหัวอ่านข้อมูลพบว่า เมื่ออุณหภูมิของระบบมีค่าเพิ่มสูงขึ้นจะส่งผลให้ค่า RA มีค่าเพิ่มขึ้นและค่าอัตราส่วน MR มีค่าลดลง ซึ่งเป็นผลเนื่องมาจากการลดลงของคุณสมบัติทางแม่เหล็กและการส่งผ่านสปินของวัสดุ นอกจากนี้งานวิจัยยังได้ทำการศึกษาค่าอัตราส่วน MR ในเชิงการทดลองของหัวอ่านข้อมูลที่ใช้ในเชิงอุตสาหกรรม จากผลการวัดค่าความต้านทานในหัวอ่านข้อมูลแสดงให้เห็นว่าหัวอ่านข้อมูลที่มีขนาดเล็กและมีความหนาของชั้นสเปสเซอร์ที่มากจะทำให้เกิดค่าความต้านทานทางไฟฟ้าที่สูงและค่าอัตราส่วน MR ที่ต่ำ นอกจากนี้เมื่อทำการศึกษาผลของความร้อนที่เกิดจากตัวทำความร้อนของหัวอ่านข้อมูลและค่าแรงดันไบอัสที่มีต่อกระบวนการทำงานของหัวอ่านข้อมูล พบว่าค่าอัตราส่วน MR ของหัวอ่านข้อมูลมีค่าแปรผกผันกับอุณหภูมิของตัวทำความร้อนของหัวอ่านข้อมูลและค่าแรงดันไบอัส ซึ่งผลการทดลองที่ได้มีแนวโน้มการเปลี่ยนแปลงที่สอดคล้องกับผลการคำนวณเป็นอย่างดี

ในลำดับสุดท้ายงานวิจัยนี้ได้ทำการศึกษาค่าสัญญาณรบกวนที่เกิดขึ้นภายในหัวอ่านข้อมูล จากผลการศึกษาพบว่าขนาดของค่าสัญญาณรบกวนจะมีค่าแปรผันตรงกับอุณหภูมิและขนาดของสัญญาณรบกวนสามารถลดลงได้โดยทำการป้อนสนามฮาร์ดไบอัส เนื่องจากสนามฮาร์ดไบอัสจะเหนี่ยวนำให้แมกนีไทเซชันมีการจัดเรียงตัวตามทิศทางของสนามที่ป้อนและลดความผันผวนของแมกนีไทเซชันที่เกิดจากความร้อน จากการศึกษาปรากฏการณ์ความต้านทานเชิงแม่เหล็กเชิงทฤษฎีและเชิงการทดลองในงานวิจัยนี้ ทำให้เข้าใจปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ที่เกิดขึ้นภายในโครงสร้างหัวอ่านข้อมูล สามารถอธิบายสาเหตุของการเกิดสัญญาณรบกวนและวิธีการลดสัญญาณดังกล่าวเพื่อให้หัวอ่านข้อมูลทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ นอกจากนี้ยังสามารถนำไประยุกต์ใช้เพื่อออกแบบหัวอ่านข้อมูลที่เหมาะสมสำหรับฮาร์ดดิสก์ไดร์ฟที่มีความจุข้อมูลที่สูงในอนาคตได้