Cấu trúc Valve spin được hình thành từ một màng mỏng đa lớp gồm các lớp sắt từ ngăn cách bởi các lớp phi từ mà ở đó điện trở của hệ thay đổi phụ thuộc vào sựđịnh hướng của từ độ trong các lớp sắt từ. Trong cấu trúc van-spin các lớp từ không có liên kết kiểu phản sắt từ, hoặc có nhưng cường độ yếu. Ngược lại trong hệđa lớp thì tương tác cặp trao đổi giữa hai lớp sắt từ rất mạnh do đó những sensor GMR sử dụng cấu trúc
trúc van-spin tương tác cặp trao đổi yếu nên chỉ cần một từ trường có cường độ rất yếu là có thể làm thay đổi sựđịnh hướng tương đối giữa các mô men từđộ và làm thay đổi
điện trở của mẫu. Để có thể tạo ra được một cấu hình phản song giữa các từđộ của hai lớp sắt từ người ta tạo ra hai lớp sắt từ có lực kháng từ khác nhau, điều này có thểđạt
được bằng cách sử dụng hai vật liệu sắt từ khác nhau một lớp là vật liệu từ cứng còn lớp kia làm từ vật liệu từ mềm, hoặc chế tạo bề dày của hai lớp khác nhau. Ta cũng có thể sử dụng một cấu trúc van-spin khác trong đó có thêm một lớp vật liệu phản sắt từ, giữa lớp vật liệu này với một lớp vật liệu sắt từ có tồn tại tương tác trao đổi dịch, tương tác này sẽ ghim từ độ của một lớp sắt từ trong khi từ độ của lớp sắt từ kia không bị
ghim nên có thể quay tự do hơn.
1.3.1.1 Cấu trúc van spin không ghim
Trong cấu trúc van spin không ghim để có cấu hình từđộ phản song người ta chế
tạo hai lớp sắt từ có hệ số lực kháng từ khác nhau bằng cách sử dụng hai loại vật liệu từ
cứng hoặc từ mềm hoặc có thể làm bề dày của hai lớp sắt từ khác nhau. Người ta đã khảo sát và thấy rằng khi bề dày lớp sắt từ thay đổi thì lực kháng từ thay đổi.
Hình1.3.1 trình bày một số các cấu trúc van-spin không ghim, các mũi tên lớn biểu diễn các véc tơ từđộ trong các lớp sắt từ .
Trong cấu trúc van-spin không ghim đối xứng hai lớp sắt từ là hai lớp những hợp kim sắt từ mềm (NiFe hoặc CoNiFe) ở (hình 1.3.1a), lớp giữa phi từ phải đủ dày để
giữa hai lớp sắt từ đó không có liên kết hoặc có liên kết yếu với nhau. Khi cho dòng
điện chạy qua phần tử van-spin, với cường độ từ vài đến vài chục mA, cũng đủ tạo ra từ
trường ở quanh phần tử để sắp xếp từ độ của hai lớp theo kiểu phản song. Từ trường
ngoài có tác dụng làm cho từ độ của hai lớp định hướng song song trở lại với nhau. Loại van-spin này được ứng dụng để làm các cảm biến từ trường nhỏ. Cấu trúc van- spin không ghim bất đối xứng sử dụng hai lớp từ có Hc khác nhau xem (hình 1.3.1b),
đường cong từ trễ và đường đáp tuyến van-spin của cấu trúc này có dạng như trên hình 1.3.2
Khi từ trường mạnh hai từđộ của hai lớp sắt từ cùng định hướng theo từ trường ngoài và do đó chúng song song nhau, từ trường H giảm dần véc tơ từđộ của lớp sắt từ
có trở kháng từ (Hc1) nhỏ sẽ quay theo từ trường ngoài trước so với véc tơ từđộ của lớp sắt từ có lực kháng từ (Hc2) lớn, khi đó từđộ của hai lớp sắt từ sẽ phản song với nhau và vì vậy điện trở của mẫu tăng. Khi độ lớn của từ trường đạt tới giá trị Hc2 thì sẽ làm cho véc tơ từđộ của lớp sắt từ thứ hai quay về vị trí song song với véc tơ từđộ của lớp sắt từ thứ nhất. Hệ từđa lớp trong trường hợp này như một chiếc van nên được đặt tên là van-spin.
Trên hình (1.3.3) biểu diễn đường từ hoá và đường R-H của một cấu trúc van- spin khác được chế tạo bởi Barnas cùng đồng sự (1990). Van-spin gồm ba lớp Co/Au/Co. Lớp Co đầu tiên được lắng đọng trên đế GaAs [110], sau đó lớp Co thứ hai lắng đọng trên lớp Au. Do sự khác nhau về cấu trúc tinh thể (một lớp được tạo theo
Hc1
Hc2
phương pháp epitaxi, lớp thứ hai có cấu trúc đa tinh thể) nên hai lớp Co sẽ có lực kháng từ khác nhau [11].
Lực kháng từ khác nhau giữa hai lớp sắt từ có thểđạt được bằng cách đặt một từ
trường ngoài trong suốt quá trình chế tạo van-spin. Lớp phi từ trong van-spin không ghim phải có chiều dày vừa đủ sao cho tương tác cặp trao đổi giữa hai lớp sắt từ nhỏ tới mức có thể bỏ qua. Mặc dù vậy khi bề dầy lớp phi từ quá lớn sẽ dẫn đến biến mất hiệu
ứng.
Cấu trúc van-spin không ghim (sử dụng các lớp sắt từ có trở kháng từ khác nhau) có những ưu điểm so với những cấu trúc van-spin khác. Độ nhạy của nó rất lớn, mặt khác việc chế tạo chúng tương đối đơn giản do không phải thêm lớp ghim vào (như
trong trường hợp cấu trúc van-spin có ghim). Dạng đường R-H của chúng thích hợp cho những ứng dụng chuyển mạch điện tử số, vì vậy cấu trúc này thường ứng dụng trong việc thiết kế các phần tử của bộ nhớ MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory).Trong các van-spin không ghim để tạo ra trở kháng từ khác nhau trong các lớp sắt từ thì thường chế tạo với các lớp sắt từ có bề dầy khác nhau.
1.3.1.2 Cấu trúc van spin có ghim.
Mô hình màng mỏng đa lớp với các lớp sắt từ xen kẽ bởi các lớp mỏng phi từ tạo lên cấu trúc van- spin sơ khai đầu tiên. Tuy nhiên, đây là cấu trúc đơn giản với sự quay
của các lớp sắt từ theo từ trường khá tự do và việc điều khiển tín hiệu trở nên khó khăn. Nhóm nghiên cứu của Peter Grunberg đã cải tiến mô hình này thành cấu trúc spin valve như hiện nay với việc sử dụng một lớp phản sắt từ. Cấu trúc cơ bản của mô hình này gồm 4 lớp chính như hình 1.3.4. Lớp bên dưới là lớp màng mỏng vật liệu phản sắt từ
thường sử dụng là IrMn..., bên trên lớp này là lớp sắt từ đầu tiên có từ độ bị ghim bởi lớp phản sắt từ nên có từđộ bị giữ theo một hướng gọi là lớp ghim, phía trên là lớp phi từ hoặc lớp điện môi, trên cùng là lớp sắt từ với từđộ quay tự do.
Với mô hình này, khi đặt từ trường ngoài chỉ có từđộ của lớp tự do bị quay theo từ trường ngoài do đó hiệu ứng từ điện trở hầu như chỉ phụ thuộc vào từ độ lớp bên trên. Từđộ của lớp ghim bên dưới chỉ bị quay đi khi có từ trường ngoài đủ lớn để phá vỡ liên kết với lớp phản sắt từ.
Các van-spin có ghim là cấu trúc GMR được khảo sát nhiều nhất do khả năng
ứng dụng rất triển vọng của chúng để làm đầu đọc từ và các cảm biến từ trường. Hình 1.3.5 sẽ mô tả một số cấu trúc van- spin có ghim.
Các cấu trúc van-spin có ghim được trình bày như trên (hình 1.3.5). Một cấu trúc như vậy tối thiểu có bốn lớp gồm lớp phản sắt từ, hai lớp sắt từ và một lớp cách phi từ. Việc thực hiện sắp xếp từ độ trong các lớp sắt từ ở kiểu van-spin có ghim được thực hiện chủđộng và chắc chắn hơn so với cấu trúc van-spin không ghim. Đặc biệt chúng ta có thể tuyến tính hóa đặc tuyến của phần tử van-spin khi dùng làm cảm biến.
Tương tác trao đổi dịch đã được biết tới từ nhiều năm trước, Meiklejohn và Bean phát hiện ra từ năm 1956. Tương tác này hình thành tại bề mặt tiếp xúc giữa lớp sắt từ
với lớp phản sắt từ và được biểu hiện qua sự dịch tâm đường từ trễ khỏi gốc H=0
(hình1.3.4 & hình1.3.6)
Đường cong từ hoá của van-spin ghim có hai phần, phần thứ nhất là đường cong từ hoá tương ứng với lớp ghim, phần thứ hai (dưới) là đường cong từ hoá của lớp tự do.
Hình 1.3.6: Đường cong từ hóa của mấu có tương tác NiFe/FeMn và NiFe/NiO
Hình 1.3.7 mô tả đường cong từ hoá của mẫu van-spin có ghim, đường từ hoá với hệ số trở kháng từ nhỏ tương ứng với lớp sắt từ tự do, đường từ hoá với hệ số lực kháng từ lớn tương ứng với lớp bị ghim, tương ứng với quá trình từ hoá trong mẫu là quá trình thay đổi điện trở của mẫu, hình 1.3.7b là đường ∆R/R=f(H) của mẫu [16]. Ta thấy khi H từ giá trị 800G giảm dần thì véc tơ từđộ trong hai lớp từ đang ở trạng thái song song sẽ chuyển dần sang trạng thái phản song và do đó điện trở của mẫu thay đổi theo. Sự thay đổi điện trở đột ngột của mẫu trong giá trị từ trường xấp xỉ không (H~0) thường được sử dụng cho những ứng dụng cảm biến trong đầu đọc, MRAM.