• กองส่งเสริมการวิจัยและบริการวิชาการ มหาวิทยาลัยมหาสารคาม
  • 04-3754-416 (1756)

การพัฒนาแบบจำลองขั้นสูงของรอยต่อการทะลุผ่านในวัสดุแม่เหล็กแบบหลายรอยต่อสำหรับการประยุกต์ใช้ในอุปกรณ์สปินทรอนิกส์และการประยุกต์
Advanced modeling development of magnetic tunnel junctions with multiple interface and system parameters for spintronics devices and its applications

  • ปีงบประมาณ : 2565 | ประเภททุน : ทุนส่งเสริมอาจารย์
  • งบประมาณที่ขอสุทธิ : 140,000 บาท

ความสำคัญ/ ที่มา :

ในปี ค.ศ. 2007 รางวัลโนเบลสาขาวิชาฟิสิกส์ได้มอบให้กับนักวิทยาศาสตร์ 2 ท่านคือ ศาสตราจารย์ อัลเบิร์ต เฟิร์ต (Prof. Peter Grunberg) และศาสตราจารย์ ปีเตอร์ รึแบร์ก (Prof. Albert Fert) ที่มาจากต่างห้องปฏิบัติการแต่มีความสนใจในเรื่องราวทางฟิสิกส์อย่างเดียวกัน คือ การค้นพบค่าความต้านทานเชิงแม่เหล็กขนาดใหญ่ที่เกิดในรอยต่อระหว่างวัสดุเหล็กและโครเมียมในปี ค.ศ.1989 ดังแสดงในรูปที่ 1 โดยเรียกความต้านทานดังกล่าวว่า ค่าความต้านทานเชิงแม่เหล็กขนาดใหญ่ (Giant Magnetoresistance: GMR) การค้นพบนี้ถือเป็นจุดเริ่มต้นของวิทยาการทางด้านอิเล็กทรอนิกส์ยุคใหม่ที่ว่าด้วยเรื่องของการประยุกต์ใช้ในการเพิ่มสมรรถนะการเก็บข้อมูลในฮาร์ดดิสค์คอมพิวเตอร์และอุปกรณ์ความจำ (Memory device) โดยการใช้คุณสมบัติด้านแม่เหล็กที่เรียกว่าแมกเนไทเซชันเป็นตัวกำหนดตรรกะทางคอมพิวเตอร์ (เลข 1 หรือ 0) เพื่อใช้ในการเก็บข้อมูล ซึ่งมีข้อดีกว่าระบบก่อนหน้านี้ที่ใช้การมีและไม่มีประจุของอิเล็กตรอนเป็นตัวกำหนด กล่าวคือ ระบบนี้ไม่จำเป็นต้องมีพลังงานหล่อเลี้ยงเพื่อให้ทำงานได้ ทั้งนี้เนื่องจากสมบัติด้านแม่เหล็กของวัสดุจำพวกเฟอร์โรแมกเนตมีอยู่ในตัวอยู่แล้ว ซึ่งประสิทธิภาพการทำงานของอุปกรณ์เหล่านี้ขึ้นอยู่กับค่า GMR ของระบบนั่นเอง (พิจารณาหลักการเกิดค่า GMR และการทำงานของระบบได้ในหัวข้อที่ 6 ทบทวนเอกสารงานวิจัยที่เกี่ยวข้อง) ด้วยเหตุนี้จะเห็นว่าการวิจัยเพื่อเพิ่มค่าดังกล่าวมีความสำคัญเป็นอย่างยิ่งสำหรับการประยุกต์เพื่อสร้างอุปกรณ์ด้านหน่วยความจำ ในทางฟิสิกส์ศาสตร์ที่กำลังกล่าวถึงนี้ เรียกว่า สปินทรอนิกส์ ซึ่งเป็นชื่อที่มาจากคำสองพยางค์ คือ สปิน (Spin) ที่เป็นสมบัติภายในของพาหะนำไฟฟ้าในวัสดุและอิเล็กทรอนิกส์ ที่ว่าด้วยเรื่องของการควบคุมอุปกรณ์ไฟฟ้าโดยการความคุมสมบัติภายในที่เรียกว่าประจุของพาหะนำไฟฟ้าดังกล่าว ดังนั้น สปินทรอนิกส์จึงเปรียบเหมือนการควบคุมสมบัติทางไฟฟ้าที่ใช้การควบคุมสมบัติที่เล็กลงไปอีกของพาหะนำไฟฟ้า

หลังการค้นพบดังกล่าว งานวิจัยฟิสิกส์ทางด้านสสารควบแน่น (Condensed matter physics) ได้มุ่งเน้นการอธิบายสมบัติในเชิงฟิสิกส์ของวัสดุแม่เหล็ก เช่น เฟอร์โรแมกเนต ที่ประกอบอยู่ในรอยต่อเพื่อหาวิธีเพิ่มหรือลดค่า GMR ดังกล่าวข้างต้น ในงานวิจัยของผู้วิจัยที่ได้ศึกษาก่อนหน้านี้พบว่า เมื่อเกิดการต่อกันระหว่างวัสดุต่างชนิดกันย่อมมีผลทำให้เกิดการขัดขวางเส้นทางการเคลื่อนที่ของพาหะนำไฟฟ้าในรอยต่อดังกล่าว อย่างไรก็ตาม การขัดขวางนี้มีผลทำให้ค่าความต้านทานเชิงแม่เหล็กมีค่ามากเมื่อขนาดของการขัดขวางที่รอยต่อทั้งสองด้านมีค่าที่เหมาะสมค่าหนึ่ง นั่นคือ ลักษณะหรือคุณสมบัติของรอยต่อมีผลต่อคุณสมบัติด้านฟิสิกส์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อระบบประกอบด้วยหลายรอยต่อดังแสดงในรูปที่ 1 (c) ซึ่งเป็นเรื่องที่น่าสนใจมากว่ายังไม่มีรายงานวิจัยฉบับใดนำเสนองานวิจัยทางทฤษฎีของระบบที่ประกอบด้วยหลายรอยต่อ (มากกว่า 2 รอยต่อ) อย่างชัดเจน

 

 

 

รูปที่ 1. ค่าความต้านทานเชิงแม่เหล็กขนาดใหญ่ในรอยต่อระหว่างเหล็กและโครเมียมที่ถูกค้นพบโดยศาสตราจารย์ อัลเบิร์ต เฟิร์ต และศาสตราจารย์ ปีเตอร์ อันเดรอัส รึแบร์ก โดยการค้นพบนี้ได้รับรางวัลโนเบลในปี ค.ศ. 2007

         

 

รูปที่ 2. วิวัฒนาการของอุปกรณ์เก็บข้อมูลในคอมพิวเตอร์และอุปกรณ์ความจำ

 

          ด้วยเหตุนี้งานวิจัยนี้จึงสนใจศึกษาทางทฤษฎีเกี่ยวกับสมบัติทางฟิสิกส์ในรอยต่อระหว่างวัสดุเฟอร์โรแมกเนตและวัสดุฉนวนแม่เหล็กแบบหลายรอยต่อ ซึ่งยังไม่มีรายงานวิจัยใดนำเสนอออกมาเป็นรูปแบบที่ชัดเจน กล่าวคือ ยังไม่มีการนำเสนอแบบจำลองทางฟิสิกส์ที่สามารถวิเคราะห์ระบบดังกล่าวได้อย่างชัดเจน โดยงานวิจัยนี้จะเน้นไปที่การพยายามพัฒนาแบบจำลองทางฟิสิกส์เพื่อหาเงื่อนไขที่เหมาะสมในการเพิ่มปริมาณทางฟิสิกส์ที่สำคัญกับการประยุกต์ใช้ในระบบอุปกรณ์หน่วยความจำ เช่น ค่า GMR เป็นต้น นอกจากนี้งานวิจัยนี้ยังมีเป้าหมายในการพํฒนาแบบจำลองดังกล่าวไปสู่สมการหรือสูตรวิเคราะห์อย่างง่าย (Simple analytic solotion) ระหว่างค่าดังกล่าวกับตัวพารามิเตอร์อื่นๆในระบบ เช่น จำนวนชั้นของวัสดุในรอยต่อ อุณหภูมิ ความหนาในแต่ละชั้น เป็นต้น ทั้งนี้ข้อสรุปที่สำคัญที่สุดของงานวิจัยคือ แบบจำลองหรือสมการวิเคราะห์เหล่านี้ต้องใช้ได้จริงในงานด้านหน่วยความจำ หรืออย่างน้อยต้องสามารถนำไปใช้ในการวิเคราะห์ผลจากการทดลองได้ ซึ่งจะเป็นประโยชน์ต่อนักทดลองในการออกแบบระบบเพื่อสร้างนวัตกรรมที่เป็นรูปธรรมต่อไป

วัตถุประสงค์ :

1.  เพื่อสร้างแบบจำลองขั้นสูงสำหรับศึกษาสมบัติทางฟิสิกส์ของวัสดุในตระกูลเฟอร์โรแมกเนตที่มีการค้นพบหรือทดลองได้ในปัจจุบัน

2. นำแบบจำลองกังกล่าวไปศึกษาปรากฏการณ์การทะลุผ่านในรอยต่อที่มีวัสดุดังข้อหนึ่งประกอบในรอยต่อ โดยในขั้นแรกจะเน้นที่แบบ 1 รอยต่อก่อน ทั้งนี้เพื่อทำความเข้าใจฟิสิกส์พื้นฐานของระบบ

3. ขยายรอยต่อในข้อสองออกเป็นแบบหลายรอยต่อ ทั้งนี้เนื่องจากในการใช้งานจริงของระบบมักพบในแบบหลายรอยต่อ ซึ่งเน้นไปที่การเพิ่มค่าความต้านทานเชิงแม่เหล็กในรอยต่อดังกล่าว

4. พัฒนาแบบจำลองดังกล่าวไปสู่สมการทางฟิสิกส์อย่างง่ายที่สามารถแสดงความสัมพันธ์ระหว่างค่า GMR และพารามิเตอร์ตัวอื่นๆในระบบ ซึ่งสมการเหล่านี้จะช่วยให้นักทดลองใช้ในการวิเคราะห์ ออกแบบระบบได้อย่างมีประสิทธิภาพ 

5. ประยุกต์หรือแนะนำนักทดลองเพื่อออกแบบวัสดุตามที่ได้คำนวณในข้อข้างต้น

6. สร้างงานวิจัยใหม่ๆในหน่วยปฏิบัติการวิจัยที่สังกัด