거대자기저항
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1. 개요
거대자기저항(GMR)은 1988년 알베르 페르와 페터 그륀베르크에 의해 독립적으로 발견된 현상으로, 강자성체와 비강자성체를 결합한 구조물의 전기 저항이 외부 자기장에 따라 크게 변화하는 것을 의미한다. 이 발견은 스핀 의존적인 전자의 산란에 기반하며, 자기장 센서, 하드 디스크 드라이브, 자기저항 메모리(MRAM) 등에 응용된다. GMR은 전류 방향에 따라 면내 전류(CIP)와 평면에 수직인 전류(CPP) 구조로 분류되며, 스핀 밸브와 같은 장치에서 활용된다.
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| 거대자기저항 | |
|---|---|
| 현상 개요 | |
| 명칭 | 거대 자기 저항 효과 (Giant Magnetoresistance effect) |
| 약칭 | GMR |
| 설명 | 금속층의 자기장에 따른 전기 전도도 변화 현상 |
| 상세 정보 | |
| 발견 | 알베르 페르 (1988년) 페터 그륀베르크 (1988년) |
| 노벨 물리학상 | 2007년 노벨 물리학상 (알베르 페르, 페터 그륀베르크) |
| 특징 | 자기장 변화에 따른 저항 변화율이 매우 큼 |
| 응용 분야 | 하드 디스크 드라이브 (HDD) 읽기 헤드 자기 센서 MRAM |
| 관련 현상 | 터널 자기 저항 (TMR), 콜로살 자기 저항 (CMR) |
2. 역사
자기저항 효과에 대한 초기 연구는 1930년대부터 시작되었으며, 1960년대에는 자기저항 효과가 커질 수 있다는 실험적 증거들이 나타났다. 하지만 1980년대 후반까지 주로 연구된 이방성 자기저항은 자기 저항 변화율(δH)이 몇 퍼센트 수준에 머물렀다.[34][26][5] 이후 분자선 에피택시와 같은 정밀한 박막 제조 기술이 발전하면서[7] 새로운 돌파구가 마련되었다.
이러한 기술적 배경 속에서 1988년, 프랑스 파리 남부 대학교의 알베르 페르와 독일 율리히 연구소의 페터 그륀베르크 연구진이 각각 독립적으로 거대자기저항(GMR) 효과를 발견하였다.[3] 이 발견은 기존의 자기저항 효과보다 훨씬 큰 변화율을 보여주었으며, 그 중요성을 인정받아 2007년 페르와 그륀베르크에게 노벨 물리학상이 수여되었다.[21]
2. 1. 발견
거대 자기 저항(GMR)은 1988년 프랑스 파리 남부 대학교의 알베르 페르와 독일 율리히 연구소의 페터 그륀베르크 연구진이 각각 독립적으로 발견했다.[3] 이 중요한 발견은 2007년 페르와 그륀베르크에게 노벨 물리학상을 안겨주며 그 가치를 인정받았다.[21]사실 자화(자석의 성질을 띠게 되는 현상)가 고체 내 전하 운반체의 이동도에 미치는 영향을 운반체의 스핀과 관련지어 설명하려는 시도는 이전부터 있었다. 1936년에는 이를 설명하는 첫 수학적 모델이 보고되었고, 1960년대부터는 자기 저항 효과가 커질 수 있다는 실험적 증거들이 나타나기 시작했다. 하지만 1980년대 후반까지 주로 연구된 이방성 자기저항 효과는 자기 저항 변화율(δH)이 겨우 몇 퍼센트에 불과했다.[34][26][5]
거대 자기 저항처럼 훨씬 큰 자기 저항 효과의 발견은 분자선 에피택시와 같은 새로운 기술 덕분에 가능해졌다. 이 기술을 통해 수 나노미터(nm) 두께의 매우 얇은 다층 박막을 정밀하게 만들 수 있게 되면서 GMR 현상을 관찰하고 연구할 수 있는 기반이 마련된 것이다.[7]
2. 2. 초기 연구
1936년, 자화(磁化)가 고체 내 전하 운반체의 이동도에 미치는 영향을 운반체의 스핀과 관련지어 설명하는 첫 수학적 모델이 제시되었다. 자기 저항 효과(δH)가 커질 수 있다는 실험적 증거는 1960년대부터 관찰되기 시작했다. 1980년대 후반까지는 이방성 자기저항 현상이 주로 연구되었으나,[34][26] 이때 자기 저항 값(δH)은 몇 퍼센트 수준에 머물렀다.[5] 이후 수 나노미터 두께의 얇은 막을 여러 층으로 쌓아 올리는 분자선 에피택시와 같은 정밀한 샘플 제작 기술이 등장하면서 자기 저항 효과를 크게 높이는 연구가 가능해졌다.[7]이러한 배경 속에서 거대자기저항(GMR) 효과는 1988년, 프랑스 파리 남부 대학교의 알베르 페르 연구팀과 독일 율리히 연구소의 페터 그륀베르크 연구팀에 의해 각각 독립적으로 발견되었다.[3] 이 발견의 중요성은 2007년, 페르와 그륀베르크가 공동으로 노벨 물리학상을 수상함으로써 공식적으로 인정받았다.[21]
3. 원리
거대자기저항(GMR, Giant Magnetoresistance) 효과는 특정 다층 구조에서 외부 자기장에 따라 전기 저항이 크게 변하는 현상이다. 이는 일반적으로 수 퍼센트 수준의 변화에 그치는 이방성 자기저항(AMR) 효과와 비교하여 훨씬 큰 저항 변화율을 나타내기 때문에 "거대"라는 이름이 붙었다.[5][13]
이 현상은 1988년 프랑스의 알베르 페르(Albert Fert)가 이끄는 연구팀과 독일의 페터 그륀베르크(Peter Grünberg)가 이끄는 연구팀에 의해 독립적으로 발견되었다. 두 연구팀은 각각 철(Fe)과 크롬(Cr)으로 이루어진 강자성 물질과 비자성 물질이 번갈아 쌓인 다층 박막 구조에서 외부 자기장에 의해 전기 저항이 현저히 변하는 것을 관찰했다.[7][3] 페르 연구팀은 저온에서 최대 50%의 저항 변화를 보고하며 이 효과를 거대자기저항이라 명명했고, 그륀베르크 연구팀은 상온에서 비슷한 효과를 확인했다.
거대자기저항의 근본 원리는 전자의 스핀과 관련된 스핀 의존 산란(spin-dependent scattering)이다. 강자성 물질층을 통과하는 전자는 자신의 스핀 방향과 물질의 자화 방향이 서로 평행한지 또는 반평행한지에 따라 다른 정도로 산란된다. 일반적으로 스핀 방향과 자화 방향이 반평행할 때 전자가 더 강하게 산란되어 높은 전기 저항을 나타낸다. 다층 구조에서 각 강자성층의 자화 방향을 외부 자기장으로 제어하여 평행 또는 반평행 상태로 만들면, 전체 구조의 저항값이 크게 변하게 된다.[3]
이 효과는 전류가 층과 평행하게 흐르는 면내 전류(CIP, Current-In-Plane) 구조와 층에 수직으로 흐르는 평면 수직 전류(CPP, Current-Perpendicular-to-Plane) 구조에서 관찰될 수 있으며, 일반적으로 CPP 구조에서 더 큰 저항 변화율이 나타난다. 거대자기저항 원리를 이용한 대표적인 소자로는 스핀 밸브가 있으며, 이는 하드 디스크 드라이브(HDD)의 읽기 헤드 등에 응용되어 정보 저장 기술 발전에 크게 기여했다. 거대자기저항의 발견과 연구는 스핀트로닉스라는 새로운 연구 분야를 개척하는 중요한 계기가 되었다.
3. 1. 기본 원리
자기저항은 외부 자기장의 세기에 따라 물질의 전기 저항이 변하는 현상을 말한다. 수치적으로는 다음 값으로 표현된다.:
여기서 R(H)는 자기장 H에서의 저항이고, R(0)은 자기장이 없을 때(H = 0)의 저항이다.[12] 이 표현 대신 전기 저항률을 사용하거나, δH의 부호를 다르게 사용하기도 하며,[20] 때로는 기준 저항을 R(0) 대신 R(H)로 사용하기도 한다.[23]
"거대자기저항(GMR)"이라는 용어는 특정 다층 구조에서 나타나는 자기저항 효과(δH)가 일반적인 이방성 자기저항(AMR)보다 훨씬 크기 때문에 붙여졌다. AMR 효과는 보통 몇 퍼센트 수준에 불과하다.[5][13]
페르(Fert)와 그륀베르크(Grünberg)는 각각 강자성 물질과 비자성 물질을 포함하는 구조의 전기 저항을 연구했다. 특히 페르는 다층 박막 구조를 연구했고, 그륀베르크는 1986년 Fe/Cr 박막에서 반강자성 교환 상호작용을 발견했다.[7]
GMR 효과의 발견은 두 연구 그룹이 서로 약간 다른 샘플을 사용하여 이루어졌다. 페르 그룹은 (001) GaAs 기판 위에 고진공 상태에서 증착한 (001)Fe/(001)Cr 초격자를 사용했고, 저온(주로 4.2 K)에서 자기 저항을 측정했다. 그륀베르크 그룹은 상온에서 (110) GaAs 위에 증착한 Fe와 Cr 다층 박막을 사용했다.[3]
3nm 두께의 철(Fe) 층을 가진 Fe/Cr 다층 박막에서, 비자성 크롬(Cr) 층의 두께를 0.9nm에서 3nm로 증가시키자 Fe 층 사이의 반강자성 결합이 약해졌다. 또한, 샘플을 4.2 K에서 상온으로 가열했을 때 감소하는 보자력도 함께 감소했다. 비자성 층 두께를 변화시키자 히스테리시스 루프에서 잔류 자화가 현저히 줄어들었다. 4.2 K에서 외부 자기장을 가했을 때 전기 저항이 최대 50%까지 변화하는 것을 관찰했다. 페르는 이 새로운 효과를 기존의 이방성 자기저항과 구분하기 위해 "거대자기저항"이라고 명명했다. 그륀베르크의 실험[3]에서도 같은 현상이 발견되었지만, 상온에서 실험했기 때문에 효과는 덜 두드러졌다(저항 변화율 3% 대 50%).
두 발견자는 이 효과가 초격자 내에서 전자의 스핀에 따라 산란되는 정도가 달라지기 때문에 발생한다고 제안했다. 특히, 각 층의 자화 방향과 전자 스핀의 상대적인 방향에 따라 저항이 달라진다는 것이다.[3] 이후 몇 년간 다양한 전류 방향에 대한 GMR 이론이 발전했다. 1989년 캠리(Camley)와 바르나시(Barnaś)는 전류가 층과 평행하게 흐르는 "면내 전류"(Current-In-Plane, CIP) 구조에 대해 고전적인 방식으로 계산했고,[4] 레비(Levy) 등은 양자역학적 접근법을 사용했다.[15] 1993년에는 전류가 층에 수직으로 흐르는 "평면 수직 전류"(Current-Perpendicular-to-Plane, CPP) 구조에 대한 GMR 이론인 발레-페르(Valet-Fert) 이론이 발표되었다.[37] 응용 분야에서는 더 큰 자기 저항비(δH)를 얻을 수 있어 소자 감도를 높일 수 있기 때문에 CPP 구조가 선호된다.
자성 물질에서 전기 저항은 전자가 결정 내 자기 모멘트를 가진 원자들에 의해 산란되면서 발생한다. 이 산란 정도는 전자의 스핀 방향과 원자의 자기 모멘트 방향이 서로 어떠한지에 따라 달라진다. 두 방향이 평행할 때 산란이 가장 약하고, 반평행할 때 가장 강하다. 원자의 자기 모멘트가 무작위로 배열된 상자성 상태에서는 비교적 강한 산란이 일어난다.[5]
금이나 구리와 같은 좋은 도체에서는 페르미 준위가 ''sp'' 밴드 내에 있고 ''d'' 밴드는 완전히 채워져 있다. 반면 철, 니켈, 코발트와 같은 강자성체에서는 자기적 특성을 결정하는 ''d'' 밴드가 스핀 방향(업 스핀, 다운 스핀)에 따라 서로 다른 수의 전자를 포함하도록 갈라진다(split). 이 때문에 페르미 준위에서의 전자 상태 밀도(DOS) 역시 스핀 방향에 따라 달라진다. 주 스핀(majority spin) 전자의 페르미 준위는 ''sp'' 밴드 내에 있어 강자성체와 비자성 금속에서 비슷하게 이동한다. 하지만 소수 스핀(minority spin) 전자의 경우 ''sp'' 밴드와 ''d'' 밴드가 혼성되고 페르미 준위가 ''d'' 밴드 내에 위치하게 된다. 이 혼성된 ''spd'' 밴드는 상태 밀도가 높아 소수 스핀 전자에 대한 산란을 강하게 일으키고, 결과적으로 평균 자유 행로(λ)가 주 스핀 전자보다 짧아진다. 코발트가 첨가된 니켈의 경우, 주 스핀과 소수 스핀의 평균 자유 행로 비율(λ↑/λ↓)이 20에 달할 수도 있다.
드루드 이론에 따르면 전기 전도도는 평균 자유 행로 λ에 비례하며, 얇은 금속 박막에서 λ는 수 나노미터에서 수십 나노미터 정도이다. 전자는 스핀 방향을 잃지 않고 이동할 수 있는 거리인 "스핀 완화 길이"(또는 스핀 확산 길이) 동안 자신의 스핀 방향을 유지하는데, 이 거리는 평균 자유 행로보다 훨씬 길 수 있다. 스핀 의존 수송이란 전하 운반체(전자)의 스핀 방향에 따라 전기 전도도가 달라지는 현상을 의미한다. 강자성체에서는 분할되지 않은 4''s'' 밴드와 분할된 3''d'' 밴드 사이의 전자 전이에 의해 이러한 현상이 발생한다.[5]
어떤 물질에서는 전자와 원자 간의 상호작용이 자기 모멘트가 평행할 때보다 반평행할 때 더 약하게 나타나기도 한다. 이러한 물질들을 조합하면 일반적인 GMR과 반대 효과를 보이는 "역 GMR"(Inverse GMR) 현상이 나타날 수 있다.[5]
전류는 자기 초격자를 두 가지 방식으로 통과할 수 있다. 면내 전류(CIP) 방식에서는 전류가 층과 평행하게 흐르며 전극은 구조의 한쪽에 위치한다. 평면 수직 전류(CPP) 방식에서는 전류가 층에 수직으로 흐르며 전극은 초격자의 양쪽에 위치한다.[5] CPP 구조는 CIP 구조보다 2배 이상 높은 GMR 효과를 보이지만, 실제로 구현하기는 더 어렵다.[14][27]
자기 정렬 상태는 층 간 상호작용의 종류(강자성 또는 반강자성)에 따라 초격자에서 다르게 나타난다. 강자성 상호작용을 하는 초격자에서는 외부 자기장이 없을 때 각 강자성층의 자화 방향이 동일하다. 반면, 반강자성 상호작용을 하는 초격자에서는 인접한 강자성층의 자화 방향이 서로 반대가 된다. 강자성 초격자를 통과하는 전자는 자신의 스핀 방향이 격자의 자화 방향과 평행할 때보다 반평행할 때 훨씬 약하게 상호작용(강하게 산란)한다. 이러한 저항의 차이는 반강자성 초격자에서는 잘 나타나지 않는다. 결과적으로, 반강자성 초격자는 강자성 초격자보다 전자를 더 강하게 산란시키므로 더 높은 전기 저항을 보인다.[5]
GMR 효과를 응용하기 위해서는 초격자 내 층들의 자화 방향을 평행 상태와 반평행 상태 사이에서 전환할 수 있어야 한다. 비자성층으로 분리된 두 강자성층 사이의 상호작용 에너지 밀도는 각 층 자화 벡터의 스칼라 곱에 비례한다고 근사할 수 있다.
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여기서 계수 ''J''는 비자성층 두께 ds에 따라 진동하는 함수이므로, 크기와 부호가 변할 수 있다. 만약 ds 값이 반평행 상태를 선호하는 값이라면, 외부 자기장을 가하여 초격자를 반평행 상태(높은 저항)에서 평행 상태(낮은 저항)로 전환시킬 수 있다. 구조의 전체 저항은 인접한 층의 자화 방향 사이의 각도 θ를 이용하여 다음과 같이 쓸 수 있다.
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여기서 R0는 평행 자화 상태(강자성 초격자)의 저항이고, ΔR은 GMR 효과에 의한 저항 증가분이다.[14]
GMR 현상은 전자의 스핀 방향에 따라 전도가 달라지는 두 개의 채널을 이용하여 설명할 수 있다. 각 채널은 최소 또는 최대 저항값을 가진다. 이 두 값의 관계는 종종 스핀 비대칭 계수 β로 정의된다. 이 계수는 스핀 편극 전류에 대한 비저항 ρF±의 최소값과 최대값을 사용하여 다음과 같이 정의할 수 있다.
:
여기서 ''ρF''는 강자성체의 평균 비저항이다.
자성 금속과 비자성 금속 사이의 계면에서 전하 운반자의 산란이 작고, 전자의 스핀 방향이 충분히 오래 유지된다면, 전체 저항을 자성층과 비자성층의 저항 조합으로 생각하는 것이 편리하다.
이 모델에서는 층의 자화 방향에 대해 서로 다른 스핀 방향을 가진 전자를 위한 두 개의 독립적인 전도 채널이 있다고 가정한다. 따라서 GMR 구조의 등가 회로는 각 채널에 해당하는 두 개의 병렬 저항 연결로 구성된다. 이 경우 GMR은 다음과 같이 표현될 수 있다.
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여기서 아래 첨자는 층의 자화가 평행(↑↑) 및 반평행(↑↓)인 상태를 나타내고, ''χ = b/a''는 자성층과 비자성층의 두께 비율이며, ρN은 비자성 금속의 비저항이다. 이 표현은 CIP 및 CPP 구조 모두에 적용될 수 있다. 만약 비자성층의 기여도()가 강자성층의 비저항()보다 훨씬 작다면(), 이 관계는 스핀 비대칭 계수 β를 사용하여 다음과 같이 간단하게 표현할 수 있다.
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전자 스핀 방향에 따라 저항이 달라지는 이러한 장치를 스핀 밸브라고 부른다. 층의 자화가 평행하면 저항이 낮아져 전류가 잘 흐르는 "열린" 상태가 되고, 반평행하면 저항이 높아져 전류가 잘 흐르지 못하는 "닫힌" 상태가 된다.
1993년, 티에리 발레(Thierry Valet)와 알베르 페르(Albert Fert)는 볼츠만 방정식을 기반으로 CPP 구조에서의 거대자기저항 모델을 제시했다(Valet-Fert 이론). 이 모델에서는 자기 층 내부의 화학 퍼텐셜이 층의 자화 방향에 평행한 스핀과 반평행한 스핀을 가진 전자에 대해 각각 다른 함수로 나뉜다고 가정한다. 비자성 층이 충분히 얇다면, 외부 전기장 E0가 가해졌을 때 전기화학적 포텐셜과 샘플 내부 전기장의 변화는 다음과 같은 형태를 가진다.
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여기서 ''ℓ''s는 평균 스핀 완화 길이이고, z 좌표는 자기 층과 비자성 층 사이의 경계면에서 측정된다(z < 0은 강자성체 내부). 이 식은 화학적 포텐셜이 더 큰 전자가 강자성체 경계면에 축적된다는 것을 의미한다. 이러한 현상은 스핀 축적 포텐셜 ''V''AS 또는 계면 저항(강자성체와 비자성 물질 사이의 경계면에 고유한 저항)으로 나타날 수 있다.
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여기서 ''j''는 샘플의 전류 밀도이고, ''ℓ''sN 및 ''ℓ''sF는 각각 비자성 및 자성 물질에서의 스핀 완화 길이이다.
3. 2. 수학적 설명
자기저항은 외부 자기장의 세기에 따른 시료의 전기 저항이 어떻게 변하는지를 나타내는 척도이다. 수치적으로는 다음 식으로 표현된다.:
여기서 R(H)는 자기장 H에서의 시료 저항이고, R(0)은 자기장이 없을 때(H = 0)의 저항이다.[12] 이 식 대신 전기 저항률을 사용하거나, δH의 부호를 다르게 사용하거나[20], R(H)를 기준으로 정규화하는 경우도 있다.[23]
"거대 자기 저항(GMR)"이라는 용어는 다층 구조에서 나타나는 δH 값이 일반적인 이방성 자기저항(AMR) 값(보통 몇 퍼센트 이내)보다 훨씬 크다는 점을 강조하기 위해 사용된다.[5][13] GMR 효과는 초격자 내에서 전자의 스핀 방향에 따라 산란되는 정도가 달라지는 현상, 즉 스핀 의존 산란에 기반한다. 특히, 자화 방향과 전자 스핀 방향이 서로 어떤 관계인지에 따라 각 층의 저항이 달라진다.[3]
자성 물질에서 전기 저항은 전자가 자기 모멘트를 가진 원자들로 이루어진 결정의 자기 부격자(magnetic sublattice)에서 산란될 때 큰 영향을 받는다. 이 산란은 전자의 스핀과 원자의 자기 모멘트 방향이 서로 어떠한지에 따라 달라진다. 스핀과 자기 모멘트가 평행할 때 산란이 가장 약하고, 반평행할 때 가장 강하며, 원자의 자기 모멘트가 무작위로 배열된 상자성 상태에서는 비교적 강하게 나타난다.[5]
금이나 구리 같은 좋은 도체에서는 페르미 준위가 ''sp'' 밴드 안에 있고 ''d'' 밴드는 완전히 채워져 있다. 반면, 철, 니켈, 코발트 같은 강자성체에서는 전자의 스핀 방향(업스핀, 다운스핀)에 따라 ''d'' 밴드가 갈라져 있다. 이는 각 스핀 방향에 대해 서로 다른 수의 전자가 존재하기 때문이다. 따라서 페르미 준위에서의 전자 상태 밀도(DOS) 역시 스핀 방향에 따라 다르다. 주 스핀(majority spin) 전자의 페르미 준위는 ''sp'' 밴드 내에 있어 강자성체와 비자성 금속에서 비슷하게 이동한다. 하지만 소수 스핀(minority spin) 전자의 경우, ''sp'' 밴드와 ''d'' 밴드가 혼성되어 페르미 준위가 ''d'' 밴드 내에 위치하게 된다. 이 혼성된 ''spd'' 밴드는 상태 밀도가 높아 소수 스핀 전자가 더 강하게 산란되고, 결과적으로 평균 자유 행로(λ)가 주 스핀 전자보다 짧아진다. 코발트가 첨가된 니켈의 경우, 주 스핀과 소수 스핀의 평균 자유 행로 비율(λ↑/λ↓)이 20에 달할 수도 있다.
드루드 이론에 따르면 전기 전도도는 평균 자유 행로 λ에 비례한다. 얇은 금속 박막에서 λ는 수 나노미터에서 수십 나노미터 정도이다. 전자는 스핀 방향을 잃지 않고 이동할 수 있는 거리인 스핀 완화 길이(spin relaxation length) 또는 스핀 확산 길이(spin diffusion length) 동안 자신의 스핀 방향을 "기억"하는데, 이 거리는 평균 자유 행로보다 상당히 길 수 있다. 스핀 의존 수송(spin-dependent transport)은 전하 운반자의 스핀 방향에 따라 전기 전도도가 달라지는 현상을 의미하며, 강자성체에서는 분할되지 않은 4''s'' 밴드와 분할된 3''d'' 밴드 사이의 전자 전이에 의해 발생한다.[5]
일부 재료에서는 전자와 원자 간의 상호작용이 자기 모멘트가 반평행할 때보다 평행할 때 더 약하게 나타나기도 한다. 이러한 두 종류의 재료를 결합하면 소위 역 GMR(inverse GMR) 효과가 발생할 수 있다.[5]
전류는 자기 초격자를 두 가지 방식으로 통과할 수 있다.
- 면내 전류(Current-In-Plane, CIP): 전류가 층과 평행하게 흐르며, 전극은 구조의 한쪽에 위치한다.
- 면에 수직인 전류(Current-Perpendicular-to-Plane, CPP): 전류가 층에 수직으로 흐르며, 전극은 초격자의 양쪽에 위치한다.[5]
CPP 구조는 CIP 구조보다 2배 이상 높은 GMR 값을 보이지만, 실제로 구현하기는 더 어렵다.[14][27]
GMR 효과는 전자의 전도와 관련된 두 개의 스핀 채널(스핀 업, 스핀 다운)을 이용하여 설명할 수 있다. 각 채널은 서로 다른 저항값을 가진다. 이 차이는 종종 스핀 비대칭 계수(spin asymmetry coefficient) β로 표현된다. 이 계수는 스핀 편극 전류에 대한 비저항 ρF±의 최소값과 최대값을 사용하여 다음과 같이 정의할 수 있다.
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여기서 ''ρF''는 강자성체의 평균 비저항이다.
자성 금속과 비자성 금속 사이의 계면에서 전하 운반자의 산란이 작고, 전자의 스핀 방향이 충분히 오래 유지된다면, 시료의 전체 저항을 각 층의 저항 조합으로 생각할 수 있다. 이 모델에서, 층의 자화 방향에 따라 서로 다른 스핀 방향을 가진 전자를 위한 두 개의 병렬 전도 채널이 존재한다고 가정한다. 이 경우 GMR은 다음과 같이 표현될 수 있다.
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여기서 R의 아래 첨자는 층들의 자화가 각각 반평행(↑↓) 및 평행(↑↑)한 상태를 나타낸다. ''χ = b/a''는 자성층과 비자성층 두께의 비율이며, ρN은 비자성 금속의 비저항이다. 이 식은 CIP 및 CPP 구조 모두에 적용될 수 있다. 만약 비자성층의 저항 기여도가 작다면(), 이 관계는 스핀 비대칭 계수 β를 사용하여 다음과 같이 간단하게 표현할 수 있다.
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전자 스핀 방향에 따라 저항이 달라지는 이러한 장치를 스핀 밸브라고 부른다. 층들의 자화가 평행하면 저항이 낮아 "열린" 상태가 되고, 반평행하면 저항이 높아 "닫힌" 상태가 된다.
1993년, 티에리 발레(Thierry Valet)와 알베르 페르(Albert Fert)는 볼츠만 방정식을 기반으로 CPP 구조에서의 GMR에 대한 모델(Valet-Fert 모델)을 제시했다. 이 모델에서는 자기 층 내부의 화학 퍼텐셜이 층의 자화 방향에 평행한 스핀과 반평행한 스핀을 가진 전자에 대해 각각 다른 함수로 나뉜다고 가정한다. 비자성 층이 충분히 얇다면, 외부 전기장 E0 하에서 전기화학적 퍼텐셜과 샘플 내부 전기장의 변화는 다음과 같은 형태로 나타낼 수 있다.
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여기서 ''ℓ''s는 스핀 완화의 평균 길이이고, z 좌표는 자기 층과 비자성 층 사이의 경계면에서 측정된다(z < 0은 강자성체 내부). 이 결과는 화학적 퍼텐셜이 더 큰 전자가 강자성체의 경계면에 축적된다는 것을 의미한다. 이는 스핀 축적 퍼텐셜(spin accumulation potential) ''V''AS 또는 계면 저항(interface resistance)으로 나타낼 수 있다. 계면 저항은 강자성체와 비자성 물질 사이의 경계면에 고유한 값이다.
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여기서 ''j''는 샘플의 전류 밀도이고, ''ℓ''sN 및 ''ℓ''sF는 각각 비자성 및 자성 물질에서의 스핀 완화 길이이다.
4. 응용
거대자기저항(GMR) 효과는 다양한 첨단 기술 분야에서 핵심적인 역할을 수행하며 응용되고 있다. 가장 대표적인 응용 분야는 자기장의 미세한 변화를 감지하는 자기 센서이다. 이러한 센서는 컴퓨터의 하드 디스크 드라이브(HDD)에서 데이터를 읽는 읽기 헤드[14], 질병 진단 등에 활용되는 바이오센서[22], 그리고 미세 전자기계 시스템(MEMS) 기반의 진동 감지기[22] 등 정밀한 자기 감지 기술이 요구되는 여러 장치에 필수적으로 사용된다.
또한, 거대자기저항 효과는 차세대 비휘발성 메모리 소자로 주목받는 자기저항성 램(MRAM)의 개발에도 중요한 기반 기술로 활용되고 있다.[14] MRAM은 빠른 속도와 낮은 전력 소모, 비휘발성 특성을 가져 기존 메모리 기술을 대체할 잠재력을 지닌 것으로 평가받는다. 이 외에도 GMR 기술은 다양한 전자 소자 및 시스템에 적용되어 그 성능을 향상시키는 데 기여하고 있다.
4. 1. 스핀 밸브 센서
거대 자기 저항(GMR) 재료의 주요 응용 분야 중 하나는 자기장 센서이며, 하드 디스크 드라이브[14]와 바이오센서[22], 그리고 MEMS의 진동 감지기[22] 등에 사용된다. 스핀 밸브 센서로도 불리는 일반적인 GMR 기반 센서는 다음과 같은 7개의 층으로 구성된다.
# 실리콘 기판
# 바인더층
# 감지층 (비고정층, Free Layer): 외부 자기장에 의해 자화 방향이 자유롭게 변하는 층.
# 비자성층 (Non-magnetic Layer): 두 자성층을 분리하는 층.
# 고정층 (Pinned Layer): 자화 방향이 고정된 층.
# 반강자성층 (핀닝층, Pinning Layer): 고정층의 자화 방향을 특정 방향으로 강하게 고정시키는 역할을 하는 층.
# 보호층
바인더층과 보호층은 주로 탄탈럼으로 만들어지며, 비자성층의 재료로는 구리가 대표적이다. 감지층은 외부 자기장에 민감하게 반응해야 하므로 보통 니켈-철 합금(NiFe) 또는 코발트 합금으로 제작된다. 반강자성층에는 철-망가니즈 합금(FeMn) 또는 니켈-망가니즈 합금(NiMn) 등이 사용될 수 있다. 고정층은 코발트와 같은 강자성 재료로 만들어진다. 이러한 구조로 인해 GMR 센서는 외부 자기장에 대해 비대칭적인 자기이력곡선(hysteresis loop)을 나타낸다.[31][6]
스핀 밸브는 이방성 자기 저항(AMR) 효과도 함께 나타낼 수 있으며, 이는 센서의 감도 곡선이 비대칭적인 형태를 띠게 만드는 원인이 된다.[10]
하드 디스크 드라이브(HDD)에서는 자기 도메인을 이용하여 정보를 기록한다. 자화 방향의 변화 유무에 따라 디지털 신호 1 또는 0을 나타내는 방식이다. 기록 방식에는 자화 방향이 디스크 표면에 평행한 종방향 방식과 수직인 수직 방식이 있다.
종방향 기록 방식의 경우, 자화 방향이 표면에 평행하다. 서로 다른 자화 방향을 가진 도메인 사이에는 전이 영역(도메인 벽)이 형성되며, 이 영역에서 자기장이 디스크 표면 밖으로 새어 나온다. 예를 들어, 두 개의 N극 도메인 경계에서는 자기장이 바깥쪽으로 향하고, 두 개의 S극 도메인 경계에서는 안쪽으로 향한다. GMR 센서는 이 도메인 벽 위의 자기장 방향 변화를 감지하여 데이터를 읽는다. 이를 위해 센서의 고정층 자화 방향은 특정 방향(예: 디스크 표면에 수직)으로 고정되고, 감지층의 자화 방향은 디스크 표면에 평행하게 정렬된다. 디스크가 회전하면서 도메인 벽의 자기장이 센서 아래를 지나갈 때, 이 자기장의 방향에 따라 감지층의 자화 방향이 영향을 받아 변하게 된다. 만약 외부 자기장이 감지층과 고정층의 자화 방향을 나란하게 만들면 센서의 전기 저항은 감소하고, 반대로 서로 반대 방향이 되도록 만들면 저항은 증가한다. 이 저항 변화를 측정하여 기록된 정보를 읽어내는 것이다.
4. 2. 자기저항 메모리 (MRAM)
자기저항성 램(MRAM)의 셀은 스핀 밸브 센서와 비슷한 구조를 가진다. 저장된 데이터 비트의 값은 센서 층의 자화 방향을 통해 기록될 수 있으며, 구조의 전기 저항을 측정하여 읽어낸다. MRAM 기술의 장점은 전원이 꺼져도 정보가 유지되는 비휘발성(자화 방향을 바꾸는 데 필요한 에너지 장벽 때문), 낮은 전력 소모, 그리고 빠른 속도이다.[14]
일반적인 거대자기저항(GMR) 기반 저장 장치에서, 전류가 면과 평행하게 흐르는 CIP(Current-In-Plane) 구조는 서로 수직으로 배열된 두 개의 전선 사이에 위치한다. 이 전선들은 각각 행선(row line)과 열선(column line)이라고 불린다. 이 선들에 전기 전류 펄스를 흘려보내면, GMR 구조에 영향을 미치는 소용돌이 형태의 자기장이 발생한다. 자기장의 방향(시계 방향 또는 반시계 방향)은 해당 선을 흐르는 전류의 방향에 따라 결정되며, GMR 구조 내의 자화는 이 선들을 따라 정렬된다.
열선에 의해 생성된 자기장의 방향은 자기 모멘트와 거의 평행하기 때문에, 이것만으로는 자화 방향을 바꿀 수 없다. 반면 행선은 수직 방향의 자기장을 생성하므로, 자기장의 세기와 관계없이 자화 방향을 최대 90도까지만 회전시킬 수 있다. 행선과 열선에 동시에 전류 펄스를 흘려보내면, GMR 구조가 위치한 지점에서의 총 자기장은 특정 지점에서는 예각을, 다른 지점에서는 둔각을 이루게 된다. 만약 이 자기장의 세기가 특정 임계값을 초과하면, 둔각 방향의 자화는 방향을 바꾸게 된다.
이렇게 구성된 메모리 셀에 정보를 저장하고 읽는 방법에는 여러 가지가 있다. 한 가지 방식은 정보를 감지 층(sensing layer)에 저장하고, 저항 측정을 통해 읽는 방식이다. 이 경우 정보를 읽는 과정에서 저장된 정보가 지워질 수 있다. 다른 방식에서는 정보를 고정 층(pinned layer)에 저장하며, 정보를 기록할 때 읽을 때보다 더 높은 전류가 필요하다.
터널 자기저항(TMR) 효과는 스핀 밸브 GMR을 확장한 개념이다. TMR에서는 전자가 비강자성 스페이서 대신 얇은 절연체 터널 장벽을 통과하며, 이때 전자의 스핀은 층에 수직으로 정렬된다. 이 구조는 더 높은 임피던스, 실온에서 약 10배 더 큰 자기저항 값, 그리고 온도 변화에 거의 영향을 받지 않는 특성을 가능하게 한다. 현재 TMR은 MRAM뿐만 아니라 디스크 드라이브, 특히 고밀도 저장 영역 및 수직 기록 방식에서 GMR을 대체하여 널리 사용되고 있다.[33]
4. 3. 기타 응용
1997년, 전기 회로에서 전기적으로 절연된 두 부분 사이의 비접촉 신호 전송을 위해 광 아이솔레이터의 대안으로 자기저항 절연체가 처음 시연되었다. 2003년에는 4개의 동일한 GMR 소자로 구성된 휘트스톤 브리지 기반 장치가 보고되었는데, 이 장치는 균일한 자기장에는 둔감하며 브리지의 인접한 암(arm)에서 자기장 방향이 반대일 때만 반응한다. 이러한 장치는 선형 주파수 응답을 갖는 정류기로 사용될 수 있다.[22]참조
[1]
간행물
This schematic does not include hysteresis because the shape of its loop in superlattices strongly depends on the thickness of non-magnetic layer d. Fert observed a clear hysteresis, with a saturation field of ~4 kG and a remanent magnetization of 60% of the saturation value, at dCu=1.8 nm. When dCu was reduced to 0.9 nm, the GMR reached a maximum, but the hysteresis loop collapsed; the saturation field increased to 20 kG, but the remanent field was very small.
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