Mơ hình hiệu ứng từ điện trở khổng lồ trong các spin valve
Spin valve (chưa có tên gọi riêng trong
tiếng Việt) là một linh kiện từ tính cấu tạo 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 sự định hướng của từ độ trong các lớp sắt từ. Tính chất của spin valve dựa trên hiệu ứng từ điện trở khổng lồ và được ứng dụng trong các đầu đọc ổ cứng máy tính. Spin valve được coi là thế hệ linh kiện spintronic thứ nhất.
Hiệu ứng từ điện trở và spinvalve ban đầu valve ban đầu
Khái niệm về linh kiện spin valse được xuất hiện liền với phát kiến về hiệu ứng từ điện trở khổng lồ mà ở đó điện trở của hệ màng mỏng từ đa lớp gồm các lớp sắt từ ngăn cách bởi lớp phi từ có thể thay đổi rất lớn dưới tác
dụng của từ trường ngoài[1] [2] . Cơ chể của hiệu ứng được lý giải qua cơ chế "tán xạ phụ thuộc spin" của điện tử. Và có thể thấy rằng trạng thái của hệ (điện trở cao, điện trở thấp) phụ thuộc vào sự định hướng tương đối của từ độ của các lớp sắt từ. Có nghĩa là việc từ độ các lớp này định hướng tương đối với nhau ra sao (song song, phản song song) có thể cho phép dịng dịng điện tử (dòng spin) được truyền qua hoặc khơng thể truyền qua, hay nói cách khác, từ độ của các lớp sắt từ hoạt động như một chiếc van đóng mở spin. Đây chính là ý tưởng về cấu trúc spin valve.
Spin valve với liên kết phản sắt từ
Cấu trúc cắt ngang của màng đa lớp spin valve với liên kết phản sắt từ.
Mơ hình màng mỏng đa lớp với các lớp sắt từ xen kẽ bởi các lớp mỏng phi từ tạo ra hiệu ứng từ điện trở khổng lồ là mơ hình 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. Và chính nhóm của Peter Grunberg đã cải tiến mơ hình này thành cấu trúc spin valve như hiện nay với việc sử dụng một lớp phản sắt từ. Cấu trúc cắt ngang của mơ hình này gồm 4 lớp chính: bên dưới là lớp màng mỏng vật liệu phản sắt từ (hiện nay sử dụng phổ biến là IrMn...), bên trên lớp này là lớp sắt từ đầu tiên có từ độ bị ghim bởi lớp phản sắt từ nên có từ độ bị giữ theo một hướng (gọi là lớp ghim), phía trên là lớp phi từ (hoặc lớp điện môi), và trên cùng là lớp sắt từ với từ độ quay tự do.
Với mơ hình này, khi đặt từ trường ngồi chỉ có từ độ của lớp tự do bị quay theo từ trường ngồi do đó hiệu ứng từ điện trở hầu như chỉ phụ thuộc vào từ độ lớp bên trên. Từ độ của lớp ghim bên dưới chỉ bị quay đi khi có từ trường
Spin valve 105 ngồi đủ lớp để phá vỡ liên kết với lớp phản sắt từ.
Với cấu trúc này, đường cong từ điện trở của hệ trở nên thay đổi nhảy bậc sắc nét và đường cong từ trễ của hệ cũng trở nên khác với thông thường với dạng đường trễ dịch do sự liên kết giữa hai lớp sắt từ-phản sắt từ với hình ảnh đường cong từ trễ bị dịch đi một quãng về phía từ trường âm gọi là trường trao đổi dịch (exchange-bias field)[3] .