Granular Model for Hard Disk Drive Components Design

Abstract

This research aims to propose the granular micromagnetic model for the study of the magnetic properties in magnetic recording medium and read sensor due to the effect of structural designs and magnetic materials. The microstructure of both recording medium and read sensor will be performed by Voronoi construction allowing to control the system dimension, magnetic grain size and its distribution, as well as exchange interaction between neighbor grains. The granular model for advanced perpendicular recording medium (PRM) based on kinetic Monte Carlo (kMC) approach is developed to investigate and characterize the magnetic properties of CoPt media. The result shows that the smallest grain diameter presenting the thermally stable state for CoPt-alloys is 6 nm. The reduction of film thickness can cause the incoherent reversal behavior of the media. Moreover, the variation of coercivity as a function of measuring time is studied. We found that the predicted coercivity is perfect fitted to the Sharrock's equation. The study of magnetic properties of the novel PRM by using our proposed model can be applied to be the fundamental of magnetic material characterization for the promising recording technology.

Subsequently, the granular model is used to study the exchange bias phenomenon in the bilayer structure (IrMn/CoFe) consisting of antiferromagnetic (AF) and ferromagnetic (FM) layers. The kMC and the stochastic-Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG) approaches are used to describe the magnetization dynamics of AF and FM layers, respectively. The result shows that the value of exchange bias field (HEB) is drastically increased and kept constant with increasing magnetic grain size and AF film thickness. While it is decreased with the increasing of FM thickness in good agreement with experimental and theoretical works. We further found that the easy axis dispersion of IrMn layer is one of the significant factors that causes the reduction of HEB and it leads to the incoherent magnetization reversal of CoFe layer. The realistic granular model of exchange bias layer with York protocol is then implemented in order to study the thermal stability of IrMn/CoFe structure. The results indicate that increasing grain size and AF film thickness give larger fraction of the thermal stability of IrMn/CoFe structure. However, the system with large interlayer exchange field strength can reduce its thermal stability.

Finally, the realistic exchange bias model will be used with generalized spin accumulation model in order to investigate the effect of current density and magnetization angle between CoFe layers on the spin transport behavior and MR value of IrMn/CoFe/Cu/CoFe structure. The study shows that the MR value is inversely proportional to the injected current density because the enhancement of injected current density increases the spin transport properties of magnetic materials. We further found that the variation of MR value is dependent on the magnetization angle between magnetic layers in accordance with sine function that is generally used to describe MR value in experimental and theoretical studies.

งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์ในการนำเสนอแบบจำลองโครงสร้างทางแม่เหล็กระดับจุลภาคแบบแกรนูลาร์เพื่อใช้ในการศึกษาคุณสมบัติทางแม่เหล็กของแผ่นบันทึกข้อมูลแม่เหล็กและหัวอ่านข้อมูลเนื่องจากผลของการออกแบบโครงสร้างและวัสดุแม่เหล็ก สำหรับโครงสร้างเสมือนจริงของ แผ่นบันทึกข้อมูลแม่เหล็กและหัวอ่านข้อมูลจะถูกจำลองขึ้นด้วยโปรแกรมโวโรนอยที่สามารถกำหนดขนาดของระบบ ขนาดของเกรนแม่เหล็ก ลักษณะการกระจายตัวของขนาดของเกรนแม่เหล็ก และค่าอันตรกิริยาแลกเปลี่ยนระหว่างเกรนแม่เหล็กที่อยู่ติดกันได้ ในลำดับแรกแบบจำลองแกรนูลาร์สำหรับแผ่นบันทึกข้อมูลแบบตั้งฉากจะถูกพัฒนาขึ้นโดยอาศัยระเบียบวิธีการมอนติคาร์โลเชิงจลน์เพื่อศึกษาและวิเคราะห์คุณสมบัติทางแม่เหล็กของแผ่นบันทึกข้อมูล CoPt จากการศึกษาพบว่าขนาดของเกรนแม่เหล็กที่เล็กที่สุดสำหรับแผ่นบันทึกข้อมูลแม่เหล็ก CoPt ซึ่งยังคงรักษาเสถียรภาพทางความร้อนไว้ได้จะมีขนาดเท่ากับ 6 นาโนเมตร การลดขนาดของชั้นฟิล์มแม่เหล็กจะส่งผลทำให้เกิดพฤติกรรมการผันกลับทิศทางของแมกนีไทเซชันแบบไม่พร้อมเพรียงกัน นอกจากนี้การเปลี่ยนแปลงของค่าเคอเออร์- ซิวิตีต่อเวลายังได้ถูกศึกษา โดยพบว่าค่าเคอเออร์ซิวิตีสามารถอธิบายได้ด้วยสมการของชารอคได้เป็นอย่างดี จากการศึกษาคุณสมบัติทางแม่เหล็กของแผ่นบันทึกข้อมูลแม่เหล็กแบบตั้งฉากแบบใหม่ ด้วยแบบจำลองแกรนูลาร์สามารถนำไปประยุกต์ใช้เป็นพื้นฐานในการวิเคราะห์วัสดุแม่เหล็กสำหรับเทคโนโลยีการบันทึกข้อมูลแม่เหล็กแบบใหม่ได้

ในลำดับต่อมาแบบจำลองแกรนูลาร์จะถูกนำมาประยุกต์ใช้ในการศึกษาปรากฏการณ์ไบอัสแลกเปลี่ยนในโครงสร้างวัสดุสองชั้น (IrMn/CoFe) ที่ประกอบด้วยชั้นวัสดุแอนติเฟอร์โร- แมกเนติก (antiferromagnetic layer, AF) เชื่อมติดกับชั้นวัสดุเฟอร์โรแมกเนติก (ferromagnetic layer, FM) ด้วยวิธีการมอนติคาร์โลเชิงจลน์และสมการแลนดอว์ – ลิฟท์ชิต – กิลเบิร์ต (Landau – Liftshitz – Gilbert equation, LLG) สำหรับชั้น AF และชั้น FM ตามลำดับ จากการศึกษาพบว่าปริมาณสนามไบอัสแลกเปลี่ยน (HEB) จะมีค่าเพิ่มขึ้นและคงที่เมื่อขนาดของเกรนแม่เหล็กและความหนาของชั้นฟิล์ม AF เพิ่มขึ้น แต่จะมีค่าแปรผกผันกับชั้นฟิล์ม FM ซึ่งให้ผลที่สอดคล้องกับการทดลองและทฤษฎี ลักษณะการกระจายตัวของทิศแกนง่ายในชั้น IrMn เป็นอีกหนึ่งปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อการลดลงของค่า HEB และส่งผลทำให้แมกนีไทเซชันในชั้น CoFe มีการกลับทิศทางอย่างไม่พร้อม- เพรียงกัน ในลำดับสุดท้ายได้ทำการพัฒนาแบบจำลองแกรนูลาร์เสมือนจริงสำหรับชั้นไบอัส- แลกเปลี่ยนตาม York protocol เพื่อใช้สำหรับการศึกษาเสถียรภาพทางความร้อนของโครงสร้าง IrMn/CoFe ผลการศึกษาแสดงให้เห็นว่าการเพิ่มขนาดของเกรนแม่เหล็กและความหนาของชั้นฟิล์ม IrMn เป็นปัจจัยหลักที่ช่วยเพิ่มเสถียรภาพทางความร้อนของโครงสร้าง IrMn/CoFe อย่างไรก็ตามระบบที่มีปริมาณความแรงสนามแลกเปลี่ยนระหว่างชั้นวัสดุมากจนเกินไปจะส่งผลทำให้ความสามารถในการทนต่อความร้อนของโครงสร้างวัสดุสองชั้นมีแนวโน้มลดต่ำลง

ในลำดับสุดท้ายแบบจำลองแกรนูลาร์เสมือนจริงสำหรับชั้นไบอัสแลกเปลี่ยนจะถูกนำมาใช้ร่วมกับแบบจำลองการสะสมสปินเพื่อประยุกต์ใช้ในการศึกษาผลของความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าและมุมระหว่างแมกนีไทเซชันในโครงสร้างหัวอ่านข้อมูล IrMn/CoFe/Cu/CoFe ที่มีต่อพฤติกรรมการส่งผ่านสปินและค่าต้านทานทางแม่เหล็ก (magnetoresistance, MR) จากการศึกษาพบว่าค่า MR ของโครงสร้างหัวอ่านข้อมูลจะมีค่าแปรผกผันกับความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านโครงสร้างหัวอ่านข้อมูล เนื่องจากการเพิ่มค่าความหนาแน่กระแสไฟฟ้าส่งผลทำให้คุณสมบัติการส่งผ่านสปินของวัสดุแม่เหล็กมีค่าเพิ่มสูงขึ้น นอกจากนี้ยังพบว่าค่า MR จะมีค่าขึ้นอยู่กับมุมระหว่างแมกนีไทเซชันโครงสร้างหัวอ่านข้อมูล โดยมีแนวโน้มการเปลี่ยนแปลงสอดคล้องตามฟังก์ชันไซน์ที่ถูกใช้สำหรับการอธิบายค่า MR ในเชิงการทดลองและทฤษฎี