<script language="JavaScript" src="http://www.vcharkarn.com/javafeed/article/33472" type="text/javascript"></script>

GMR: ยุคใหม่ของการศึกษาและประยุกต์ใช้วัสดุแม่เหล็ก มนุษย์รู้จัก และใช้ประโยชน์จากวัสดุแม่เหล็ก เป็นเวลากว่า 4000 ปีมาแล้ว ตลอดเวลาที่ผ่านมา แม่เหล็กเป็นส่วนสำคัญของ เครื่องกำเนิดไฟฟ้า มอเตอร์ ลำโพง หม้อแปลง อุปกรณ์จับติดยก เซนเซอร์ เทป หัวอ่าน และวัสดุบันทึกข้อมูลต่างๆ ผู้เขียน: ดร. ชิตณรงค์ ศิริสถิตย์กุล และ นส. วัชรี รัตนสกุลทอง ชมแล้ว: 10,897 ครั้ง post ครั้งแรก: Mon 29 October 2007, 11:41 am ปรับปรุงล่าสุด: Fri 2 November 2007, 8:45 am อยู่ในส่วน: วิทยาศาสตร์, ฟิสิกส์, เทคโนโลยี

ดร. ชิตณรงค์ ศิริสถิตย์กุล และ นส. วัชรี รัตนสกุลทอง
หน่วยวิจัยฟิสิกส์ทดลอง มหาวิทยาลัยวลัยลักษณ์

ความต้องการวัสดุที่มีคุณสมบัติดีขึ้นทำให้มีการวิจัยและพัฒนาส่วนประกอบและกรรมวิธีในการสังเคราะห์เรื่อยมา จนถึงยุคข้อมูลข่าวสารที่มีความต้องการให้เซนเซอร์ และหัวอ่านมีความไวต่อสนามแม่เหล็กสูงเกินกว่าที่วัสดุแม่เหล็กแบบเดิมจะสามารถทำได้ นำไปสู่การสังเคราะห์วัสดุแม่เหล็กที่เล็กในระดับนาโนและค้นพบปรากฏการณ์ใหม่ ที่เรียกว่า GMR


GMR คือคำย่อของไจแอนท์แมกนีโตรีซีสแทนซ์ (Giant MagnetoResistance) เป็นปรากฏการณ์ที่วัสดุมีความต้านทานไฟฟ้าลดลงอย่างมาก (1-80%) เมื่ออยู่ในสนามแม่เหล็ก


คณะผู้วิจัย ณ Universite Paris-Sud ในประเทศฝรั่งเศสค้นพบ GMR ในปี 1988¹ เมื่อศึกษาค่าความต้านทานไฟฟ้าของฟิล์มบางสลับชั้นของเหล็กและโครเมียม แล้วพบว่า ความต้านทานไฟฟ้าของฟิล์มบางสลับชั้นลดลงเกือบ 50 เปอร์เซ็นต์ เมื่อทำการวัดในสนามแม่เหล็กขนาด 20 กิโลเออร์สเต็ด (2 เทสลา) การค้นพบดังกล่าวเป็นจุดเริ่มต้นของ GMR ที่ได้รับความสนใจจากบรรดานักวิทยาศาสตร์ และวิศวกร เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงขนาดสัญญาณมีค่าสูงและสามารถสังเกตได้ที่อุณหภูมิห้อง ตลอดเวลา 14 ปีที่ผ่านมาจึงมีการวิจัยทางวัสดุ GMR อย่างกว้างขวาง เพื่อประยุกต์ใช้เป็นหัวอ่านฮาร์ดดิสก์ หน่วยความจำ และ เซนเซอร์








ภาพที่ 1 ตัวอย่างกราฟ GMR แสดงความสัมพันธ์ระหว่างสนามแม่เหล็ก กับค่าความต้านทานของวัสดุอัลลอยด์โดยการบด ที่อุณหภูมิ 199 K ภายใต้สนามแม่เหล็กขนาด 16 กิโลเออร์สเต็ด




GMR แตกต่างจาก MR หรือแมกนีโตรีซีสแทนซ์แบบปกติ ตรงที่ MR เกิดขึ้นในโลหะและสารกึ่งตัวนำทั่วๆไป ที่มีความต้านทานไฟฟ้าเพิ่มขึ้นในสนามแม่เหล็ก (โดยทั่วไปไม่เกิน 3%) เนื่องจากอิเล็กตรอนที่นำไฟฟ้าของสารเหล่านั้นมีอัตราการกระเจิงสูงขึ้น เมื่อแรงลอเรนซ์ทำให้อิเล็กตรอนมีเส้นทางการเคลื่อนที่เป็นเกลียว ในทางตรงกันข้าม GMR เป็นปรากฏการณ์ที่ความต้านทานไฟฟ้าลดลงในสนามแม่เหล็ก (รูปที่ 1 แสดงตัวอย่างกราฟGMR) และวัสดุที่แสดง GMR เป็นวัสดุที่สังเคราะห์ขึ้น



โดยมีสารแม่เหล็กเฟอร์โร (ได้แก่ เหล็ก, โคบอลท์ และนิกเกิล) แยกเฟสอยู่กับโลหะที่ไม่ใช่แม่เหล็กเฟอร์โร (เช่น เงิน, ทองแดง และ โครเมียม) โครงสร้างวัสดุที่แสดงปรากฏการณ์ GMR มีหลายแบบ เช่น ฟิล์มบางสลับชั้นระหว่างสารแม่เหล็กกับโลหะที่ไม่เป็นแม่เหล็ก (Magnetic Multilayers), ฟิล์มบางของโลหะที่มีอนุภาคสารแม่เหล็กเฟอร์โรกระจายอยู่ (Granular Films) ² และอัลลอยด์ที่ได้จากการบดผงแม่เหล็กกับผงโลหะที่ไม่เป็นแม่เหล็ก (Mechnical Alloys)³



การเกิด GMR
GMR เกิดขึ้นเมื่อการเปลี่ยนสภาวะการแมกนีไตเซชันของวัสดุทำให้ความต้านทานของวัสดุเปลี่ยนตามไปด้วย พิจารณาการเกิด GMR ในฟิล์มบางสลับชั้น เมื่อสนามแม่เหล็กเป็นศูนย์ วัสดุจะอยู่ในสภาวะที่การแมกนีไตเซชันของชั้นแม่เหล็กมีทิศตรงข้ามกัน แต่เมื่อวัสดุอยู่ในสนามแม่เหล็ก สภาวะการแมกนีไตเซชันของวัสดุจะเปลี่ยนไป ทำให้แมกนีไตเซชันของฟิล์มแม่เหล็กทุกชั้นเรียงตัวไปในทิศเดียวกันตามสนามแม่เหล็ก


จากการทดลองพบว่าในสภาวะเช่นนี้ ความต้านทานไฟฟ้าของวัสดุจะลดลง ความต้านทานที่ลดลงนี้สามารถอธิบายได้ด้วย ทฤษฎีของ Mott4 ที่เสนอไว้ตั้งแต่ปี 1936 ว่าอิเล็กตรอนที่มีสปินขึ้น (spin up) และสปินลง (spin down) จะนำไฟฟ้าเป็นอิสระจากกันเหมือนตัวต้านทานที่ต่อแบบขนาน และ มีการอัตราการกระเจิงในสารแม่เหล็กเฟอร์โรต่างกัน (Spin Dependent Scattering) นั่นคือ เมื่ออิเลกตรอนผ่านชั้นแม่เหล็ก อิเลกตรอนที่มีสปิน ขนานกับทิศการแมกนีไตเซชันของฟิล์ม จะมีอัตราการกระเจิงต่ำกว่า อิเล็กตรอนที่สปินสวนทิศกับการแมกนีไตเซชันของฟิล์ม การเคลื่อนที่ของอิเลกตรอนผ่านชั้นต่างๆ สามารถเขียนเป็นแผนภาพ และวงจรไฟฟ้าเสมือนได้ดังรูปที่ 2 เพื่ออธิบายการลดลงของความต้านทานในสนามแม่เหล็ก







ภาพที่ 2 แผนภาพแสดงการกระเจิงของอิเล็กตรอนที่มีสปินขึ้นและสปินลงเมื่อผ่านชั้นต่าง ๆ ของ GMR แบบฟิล์มบางสลับชั้น และวงจรไฟฟ้าเสมือนที่ประกอบด้วยตัวต้านทานไฟฟ้าเนื่องจากสปินขึ้น ต่อขนานกับสปินลง (ก) การกระเจิงของอิเล็กตรอนผ่านชั้นที่แมกนีไตเซชันเรียงสวนทิศกัน ส่งผลให้ความต้านทานรวมสูง (ข) การกระเจิงของอิเล็กตรอนเมื่อแมกนีไตเซชันของชั้นแม่เหล็กเรียงในทิศเดียวกัน เมื่อมีสนามแม่เหล็ก ให้ความต้านทานรวมต่ำ



จากรูปที่ 2(ก) เมื่อฟิล์มบางสลับชั้นมีการจัดตัวแบบสวนทิศกัน อิเล็กตรอนที่มีสปินขึ้นสามารถผ่านชั้นของสารแม่เหล็กชั้นแรกอย่างสะดวกนั่นคือมีอัตราการกระเจิงต่ำ แต่จะมีอัตราการกระเจิงสูงในชั้นแม่เหล็กชั้นถัดไปเนื่องจากสปินสวนทิศกับแมกนีไตเซชันในชั้นนั้น ในทางตรงกันข้ามอิเลกตรอนที่มีสปินลงจะมีอัตราการกระเจิงสูงในชั้นแรกและต่ำในชั้นถัดไป รูปที่ 2 (ข) เมื่อฟิล์มบางอยู่ในสนามแม่เหล็ก แมกนีไตเซชันจะมีการจัดตัวในทิศเดียวกัน อิเล็กตรอนที่มีสปินลงจะมีอัตราการกระเจิงสูงเมื่อผ่านชั้นแม่เหล็กทุกชั้นเนื่องจากมีสปินสวนทิศกับแมกนีไตเซชันของฟิล์มแม่เหล็ก ในขณะที่ อิเล็กตรอนที่มีสปินขึ้นสามารถผ่านสารแม่เหล็กทุกชั้นอย่างสะดวก เปรียบเสมือนเป็นตัวต้านทานที่ลัดวงจรให้ วัสดุมีความต้านทานรวมลดลง







ภาพที่ 3 แบบจำลอง GMR ในโครงสร้างแบบอัลลอยด์โดยการบดผง (ก) แมกนีไตเซชันของอนุภาคแม่เหล็กเฟอร์โรเรียงตัวแบบสุ่มในสภาวะปกติ เมื่อสนามแม่เหล็กเป็นศูนย์ (ข) เมื่อมีสนามแม่เหล็กมากระทำแมกนีไตเซชันของสารแม่เหล็กจะชี้ในทิศเดียวกัน ทำให้ความต้านทานของโครงสร้างลดลง

รูปที่ 3 แสดงการเกิด GMR ในโครงสร้างแบบอัลลอยด์ที่ได้จากการบดผง แมกนีไตเซชันของอนุภาคแม่เหล็กเฟอร์โรเรียงตัวแบบสุ่มในสภาวะปกติเมื่อสนามแม่เหล็กเป็นศูนย์ แต่เมื่อมีสนามแม่เหล็กภายนอกมากระทำแมกนีไตเซชันของสารแม่เหล็กจะชี้ในทิศเดียวกัน เปิดโอกาสให้อิเล็กตรอนที่มีสปินขึ้นนำไฟฟ้าได้ดี (มีอัตราการกระเจิงต่ำ) ความต้านทานของโครงสร้างจึงลดลงในสนามแม่เหล็ก

---

บทความอื่น

บทความแนะนำ

Blog แนะนำ

Hot Links

คลังข้อสอบ | ข่าววิชาการ
เล่นกล/เกม | อ่านนิยาย
ข่าวทุนการศึกษา | ลิงค์

ขอบคุณผู้สนับสนุน