GMR: สู่งานวิจัยแม่เหล็กยุคใหม่ในประเทศไทย

ชิตณรงค์ ศิริสถิตย์กุล *

     รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปีนี้ มอบให้กับ Albert Fert และ Peter Gr?nberg ในฐานะผู้ร่วมกันค้นพบ ปรากฏการณ์ Giant Magnetoresistance หรือ GMR

 ปฐมบท

     แม้ GMR จะเป็นคำที่ค่อนข้างใหม่ แต่ MR หรือ Magnetoresistance เป็นที่รู้จักกันมากว่า 150 ปี ในฐานะคำที่ใช้เรียก การเปลี่ยนแปลงความต้านทานไฟฟ้าของโลหะและสารกึ่งตัวนำเมื่อสารเหล่านั้นอยู่ในสนามแม่เหล็ก แรงลอเรนซ์เนื่องจากสนามแม่เหล็กทำให้อิเล็กตรอนที่นำไฟฟ้ามีเส้นทางการเคลื่อนที่เป็นเกลียว ส่งผลให้อัตราการกระเจิงของอิเล็กตรอนสูงขึ้น ตัวอย่างกราฟ MR แสดงดัง รูปที่ 1 ความต้านทานไฟฟ้าในแกนดิ่ง ของซิลิกอน เพิ่มขึ้นตามความเข้มสนามแม่เหล็กในแกนนอน แบบพาราโบลา [1]

รูปที่ 1 ตัวอย่างปรากฏการณ์ MR ที่เกิดขึ้นในเมมเบรนของซิลิกอน เนื่องจากแรงลอเรนซ์ [1]

     ในกรณี สารแม่เหล็กเฟร์โร ( ได้แก่ เหล็ก , โคบอลท์ และนิกเกิล ) มีผลจาก Spin-orbit coupling ทำให้การเปลี่ยนแปลงความต้านทานไฟฟ้ามีขนาดมากกว่าที่เกิดในโลหะทั่วไปและขึ้นอยู่กับทิศระหว่างสนามแม่เหล็กกับ กระแสไฟฟ้า เรียกว่า Anisotropic magnetoresistance (AMR ) กราฟใน รูปที่ 2 แสดงความต้านทานไฟฟ้าของฟิล์มโคบอลท์ที่เตรียมด้วยวิธีระเหย เปลี่ยนแปลงตามขนาดและทิศของสนามแม่เหล็ก [2] การเปลี่ยนแปลงขนาดความต้านทานเนื่องจาก AMR เมื่อเทียบเป็นเปอร์เซ็นต์โดยทั่วไปอยู่ในระดับ 2- 3%

รูปที่ 2 ตัวอย่างปรากฏการณ์ AMR ที่เกิดขึ้นในฟิล์มบางโคบอลท์ เนื่องจาก Spin-orbit coupling [2]

การค้นพบ GMR

     ในปี ค . ศ. 1988 คณะของ Albert Fert ในประเทศฝรั่งเศส ได้รายงานถึง Giant magnetoresistance เป็นครั้งแรก ในวารสาร Physical Review Letters [3] เป็นเวลาไล่เลี่ยกับ คณะของ Peter Gr?nberg ในประเทศเยอรมนีตีพิมพ์การค้นพบปรากฏการณ์เดียวกันนี้ ในวารสาร Physical Review B [4] (เป็นที่น่าสังเกตว่า Fert และ Gr ? nberg ไม่ได้เป็น first author ของบทความข้างต้น) นักวิจัยทั้งสองกลุ่มเข้าใจถึงความแตกต่างของปรากฏการณ์ใหม่นี้จาก MR ชนิดอื่นๆ (คณะของ Fert ได้ตั้งชื่อ GMR) และเล็งเห็นถึงศักยภาพที่จะใช้ในเชิงพาณิชย์ (คณะของ Gr ? nberg ได้จดสิทธิบัตรการค้นพบนี้)

     GMR แตกต่างจาก MR ชนิดอื่นๆ คือ GMR เป็นปรากฏการณ์ที่ความต้านทานไฟฟ้าลดลงอย่างมากใน สนามแม่-
เหล็ก พบในฟิล์มบางของแม่เหล็กเฟร์โรที่สลับชั้นกับโลหะอื่น ( Magnetic multilayers) ความต้านทานที่ลดลงได้ถึง 80 % นี้เป็นผลจาก Spin dependent scattering และสามารถอธิบายได้ด้วย Two Channel Current Model ของ Nevill Mott ที่เสนอไว้ตั้งแต่ปี คศ. 1936 ( สามารถอ่านรายละเอียดได้จากบทความก่อนหน้านี้ ในวารสารเทคโนโลยีวัสดุ [5] และ วารสารฟิสิกส์ไทย [6] )

ผลกระทบจากการค้นพบ GMR

     การค้นพบ GMR นับเป็นการเข้าสู่ยุคใหม่ของการศึกษาวิจัยแม่เหล็ก และ พัฒนาผลิตภัณฑ์ที่ใช้วัสดุแม่เหล็กในระดับนาโน เช่น เซนเซอร์, หน่วยความจำแบบ MRAM (Magnetic Random Access Memory) และหัวอ่านฮาร์ดดิสก์ [ 7 ] เพียง 12 ปีภายหลังการค้นพบ ความสำคัญของ GMR เชิงพาณิชย์ได้ปรากฏเด่นชัดในการเพิ่มความจุของฮาร์ดดิสก์คอมพิวเตอร์ให้เกินระดับ 10 Gb/in 2 เพราะก่อนการค้นพบปรากฏการณ์นี้ ความจุข้อมูลบนสารแม่เหล็กที่เขียนหรืออ่านโดยวิธีเหนี่ยวนำ และ AMR มีค่าจำกัด การใช้ฟิล์มบางสลับชั้น GMR จะให้ค่าการเปลี่ยนแปลงสัญญาณไฟ-ฟ้าที่สูงเพียงพอสำหรับเนื้อที่บนฮาร์ดดิสก์และหัวอ่านที่มีขนาดเล็ก

     การค้นพบ GMR ในฟิล์มบางสลับชั้น ยังเป็นจุดเริ่มต้นการศึกษาปรากฏการณ์ในโครงสร้างแบบอื่นๆ ที่มีสารแม่เหล็กเฟร์โรแยกเฟสอยู่กับโลหะที่ไม่ใช่แม่เหล็กเฟร์โร เช่น ฟิล์มบางของโลหะที่มีอนุภาคสารแม่เหล็กเฟร์โรกระจายอยู่ เรียกว่า Granular films และ อัลลอยด์ที่ได้จากการบดผงแม่เหล็กกับผงโลหะที่ไม่เป็นแม่เหล็ก เรียกว่า Mechanical alloys เมื่อเปรียบเทียบกันแล้ว การเตรียมวัสดุ GMR แบบ Mechanical alloys มีความซับซ้อนน้อยที่สุด การบดผงสารแม่เหล็กเฟร์โร ( ได้แก่ Fe , Co , Ni ) เข้ากับผงโลหะเช่น Ag, Cu เป็นเวลาหลายชั่วโมง จะได้ อนุภาคสารแม่เหล็กเฟร์โรขนาดระดับ 10 nm ที่มีโดเมนเดี่ยว (single domain) กระจายตัวอยู่ในผงสารที่ไม่ใช่แม่เหล็ก อนุภาคสารแม่เหล็กเฟร์โรเหล่านี้ จะมีแมกนิไทเซชันชี้ไปตามทิศของ shape หรือ crystalline anisotropy ในกรณีเช่นนี้เรียกว่าอนุภาคสารแม่เหล็กเฟร์โรถูก block อยู่ แมกนิไทเซชันของอนุภาคสามารถชี้ในทิศอื่นได้เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นเกินกว่าค่าที่เรียกว่า Blocking Temperature ซึ่งอนุภาคจะมีพลังงานความร้อนสูงมากกว่ากำแพงศักย์ที่เกิดขึ้นจาก anisotropy และสามารถชี้ในทิศสุ่มตามพลังงานความร้อนได้ เรียกว่าเป็น superparamagnetic particles รูปที่ 3 แสดงแบบจำลองการเกิด GMR ในโครงสร้างแบบ Mechanical alloys รูป (ก) คือ สภาวะที่สนามแม่เหล็กภายนอกเป็นศูนย์ แมกนิไทเซชันของอนุภาคแม่เหล็กเฟร์โรเรียงตัวแบบสุ่ม แต่เมื่อมีสนามแม่เหล็กภายนอกมากระทำ แมกนิไทเซชันของสารแม่เหล็กจะชี้ในทิศเดียวกันดังรูป (ข) ทำให้อิเล็กตรอนที่มีสปินอัพ ( up ) กับ ที่มีสปินดาวน์ ( down) มีอัตราการกระเจิงที่แตกต่างกัน เกิด Spin dependent scattering และปรากฏการณ์ GMR ได้เช่นเดียวกับฟิล์มบางสลับชั้น ดังตัวอย่างใน รูปที่ 4

รูปที่ 3 แบบจำลอง GMR ในโครงสร้างแบบ Mechanical alloys ( ก ) แมกนิไทเซชันของอนุภาคแม่เหล็กเฟร์โรเรียงตัวแบบสุ่มเมื่อสนามแม่เหล็กภายนอกเป็นศูนย์ ( ข ) เมื่อมีสนามแม่เหล็กภายนอกมากระทำ แมกนิไทเซชันของสารแม่เหล็กจะชี้ในทิศเดียวกัน เปิดโอกาสให้อิเล็กตรอนที่มีสปินทิศเดียวกับแมกนิไทเซชันนำไฟฟ้าได้ดี ( มีอัตราการกระเจิงต่ำ ) ความต้านทานของโครงสร้างจึงลดลงในสนามแม่เหล็กภายนอก

รูปที่ 4 ตัวอย่างปรากฏการณ์ GMR ที่เกิดขึ้นใน Mechanical alloys เนื่องจาก Spin dependent scattering [7]

GMR ในประเทศไทย

     ทุกครั้งที่มีการอ่านข้อมูลจากฮาร์ดดิสก์ในระบบคอมพิว -เตอร์ ก็นับว่าคนไทยได้ใช้ประโยชน์จาก GMR แล้ว ไม่ว่าจะรู้จักปรากฏการณ์นี้หรือไม่ และจากการที่ประเทศไทยเป็นฐานการผลิตใหญ่ของอุตสาหกรรมฮาร์ดดิสก์ที่มีเป้าหมายส่งออกเป็นอันดับหนึ่งของโลก ศูนย์เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์แห่งชาติ ( NECTEC ) ร่วมกับ บริษัทผู้ผลิตฮาร์ดดิสก์ และ มหาวิทยาลัยต่างๆในประเทศ ได้จัดตั้งศูนย์วิจัยร่วมเฉพาะทางด้านส่วนประกอบฮาร์ดดิสก์ไดร์ฟ ( Industry / University Cooperative Research Center in HDD Component) [8] เพื่อแก้ปัญหาที่เกิดในภาคอุตสาหกรรม และพัฒนาองค์ความรู้และเทคโนโลยีเพื่อแข่งขันกับสื่อบันทึกข้อมูลชนิดอื่นๆ ปัจจุบันนักวิจัยในประเทศจึงสามารถมีโอกาสวิจัยปรากฏการณ์ GMR และ MR ชนิดใหม่ๆที่มีศักยภาพทดแทน GMR ในเชิงพาณิชย์ได้

     ก่อนหน้านั้น ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ ( MTEC ) และ มูลนิธิโทเรเพื่อการส่งเสริมวิทยาศาสตร์แห่งประเทศไทย ได้สนับสนุนให้ห้องวิจัยแม่เหล็ก มหาวิทยาลัยวลัยลักษณ์ เริ่มต้นวิจัยวัสดุ GMR ในประเทศไทยแล้วตั้งแต่ปี พ.ศ. 2544 คณะผู้วิจัยได้ทำการ ติดตั้งระบบวัด GMR, สังเคราะห์ตัวอย่างวัสดุ GMR แบบ Mechanical alloys, วัดค่า GMR และพัฒนาระบบเซนเซอร์จากวัสดุ GMR (รูปที่ 5)

รูปที่ 5 ชุดเครื่องมือวัด GMR ที่ ห้องวิจัยแม่เหล็ก มหาวิทยาลัยวลัยลักษณ์

    ในการติดตั้งระบบวัด GMR ได้ทำการติดตั้ง แม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnet) ขนาด 1.1 เทสลา ที่ได้รับการบริจาคจาก มหาวิทยาลัยอ๊อกซ์ฟอร์ดและระบบคอมพิวเตอร์เพื่อควบคุมแม่เหล็กและบันทึกค่าความต้านทานไฟฟ้าเพื่อ ให้การวัด GMR สะดวก รวดเร็วและถูกต้อง พร้อมทั้งสร้างระบบหล่อเย็นเพื่อระบายความร้อน จากขดลวดแม่เหล็กและเครื่องจ่ายกำลังไฟฟ้า

ในการเตรียมตัวอย่าง และวัดค่า GMR ได้ทำการบดผงโคบอลท์ กับผงทองแดง อัตราส่วน 30 : 70 ในเครื่อง ball milling เป็นเวลา 30 ถึง 120 ชั่วโมง แล้วนำผงอัลลอยด์ที่อัดขึ้นรูปเป็นเม็ดด้วยความดันสูง วางในสนามแม่เหล็ก 1.1 เทสลา ของแม่เหล็กไฟฟ้า พบว่าความต้านทานไฟฟ้าลดลง 6-11 % เป็นการเชื่อมโยง GMR กับออกไซด์ที่เกิดขึ้นใน Mechanical alloys [9] นอกจากนี้ การศึกษาการนำไฟฟ้าในสนามแม่เหล็กของผงอัลลอยด์ที่บรรจุในแคปซูลยาด้วยความหนาแน่นต่างๆ นำไปสู่องค์ความรู้ที่ได้รับการตีพิมพ์ในวารสารวิชาการระดับนานาชาติ [10]

     ในการประยุกต์ใช้ ได้พัฒนาเซนเซอร์ต้นแบบจาก Mechanical alloys ของ โคบอลท์-ทองแดง และเผยแพร่เพื่อการศึกษา ในงานเทคโนโลยีของไทย ปี 2546 และ งานสัปดาห์วิทยาศาสตร์แห่งชาติ ปี 2548 อย่างไรก็ตาม วัสดุ GMR ที่สังเคราะห์ขึ้นนี้มีพฤติกรรมที่เป็นอุปสรรคต่อการประยุกต์ใช้ เช่น การตอบสนองช้า และความไม่คงตัวของสัญญาณ จึงไม่สามารถแข่งขันเชิงพาณิชย์ได้ แต่ก็เป็นจุดเริ่มต้นในการพัฒนาเซนเซอร์แม่เหล็กแบบ Giant magnetoimpedance ( GMI ) ที่มีคุณภาพดีขึ้น

วิวัฒนาการ

     การค้นพบ GMR ได้เปิดประตูสู่การศึกษาปรากฏการณ์ทางแม่เหล็กอื่นๆ เช่น GMI , Colossal magnetoresistance ( CMR) รวมถึง Tunneling magnetoresistance หรือ TMR ที่ใช้หลักการ Spin dependent tunneling ผ่านฉนวนบางที่คั่นอยู่ระหว่างฟิล์มแม่เหล็กเฟร์โรสองชั้น นำไปสู่เทคโนโลยีที่กำลังขึ้นมาแทน GMR ในอุตสาหกรรมฮาร์ดดิสก์ นอกจากนี้ การผสานองค์ความรู้ใหม่ เข้ากับอุตสาหกรรม อิเล็กทรอนิกส์ ทำให้เกิดศาสตร์ใหม่ ในนาม Magnetoelectronics (หรือ Spintronics ) เพื่อให้เกิดอุปกรณ์ที่ใช้ประโยชน์ จากทั้ง ประจุไฟฟ้า และ สปิน ของอิเล็กตรอน นำไปสู่ความสนใจสังเคราะห์วัสดุจำพวก Magnetic semiconductor องค์ความรู้ของแม่เหล็กยุคใหม่นี้เป็นผลผลิตจากงานสร้างสรรค์โดยนักวิจัยทั่วโลก รวมทั้งประเทศไทย

[1] C. Sirisathitkul et al. , Magnetoresistance due to the Lorentz Force in Silicon Membrane , Songklanakarin J. Sci. Technol. 24 (2), 305 (2002)

[2] Y. Pansong and C. Sirisathitkul, Anisotropic Magnetoresistance of Cobalt Thin Films Prepared by Thermal Evaporation , Walailak J. Sci. & Tech. 2 (1), 71 (2005)

[3] M. N. Baibich et al. , Giant Magnetoresistance of (001)Fe/(001)Cr Magnetic Superllattices , Phys. Rev. Lett. 61 (21), 2472 (1988)

[4] G. Binash et al. , Enhanced Magnetoresistance in Layered Magnetic Structures with Antiferrromagnetic Interlayer Exchange , Phys. Rev. B 39 (7), 4828 (1989)

[5] ชิตณรงค์ ศิริสถิตย์กุล และ วัชรี รัตนสกุลทอง , GMR: ยุคใหม่ของการศึกษาและประยุกต์ใช้แม่เหล็ก , วารสารเทคโนโลยีวัสดุ, ฉบับที่ 30 มกราคม - มีนาคม 2546, หน้า 43-46

[6] พรเทพ นิศามณีพงษ์, Giant Magnetic Resistive , วารสารฟิสิกส์ไทย, ปีที่ 24 ฉบับที่ 4 ธันวาคม 2550 - กุมภาพันธ์ 2551 , หน้า 7-11

[7] C . Sirisathitkul et al. , Giant Magnetoresistance of Mechanically Alloyed FeCoCu Mixed with Hard Magnetic Material, Kasetsart J. (Nat. Sci.) 36 , 200 (2002)

[8] http://www.hdd.kku.ac.th

[9] W. Rattanasakulthong and C. Sirisathitkul, Effects of Oxidation and Cluster Distribution on Thermal and Magnetotransport Properties of Mechanically Alloyed Co-Cu Powders , Appl. Phys. A 83 (1), 77 (2006)

[10] W. Rattanasakulthong and C. Sirisathitkul, Large Negative Magnetoresistance in Encapsulated Cobalt-Copper Prepared by Mechanical Alloying , Physica B 369 ,160 (2005)

---------------------------------------------------

* ผู้ช่วยศาสตราจารย์ (ดร.) แห่งห้องวิจัยแม่เหล็ก สาขาฟิสิกส์ สำนักวิชาวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยวลัยลักษณ์ จังหวัดนครศรีธรรมราช