Гигантский магнитосопротивительный эффект (ГМС) проявляется как значительное изменение электрического сопротивления металлов и сплавов при приложении внешнего магнитного поля. В многослойных структурах, состоящих из чередующихся слоев ферромагнетика и немагнитного проводника, величина ГМС сильно зависит от толщины каждого из слоев. Ферромагнитные слои обеспечивают спиновую поляризацию электронов, тогда как немагнитные слои служат для межслойного обменного взаимодействия и рассеяния носителей заряда.
Ключевой механизм ГМС заключается в различной проводимости для электронов с параллельной и антипараллельной ориентацией спина относительно локальной намагниченности ферромагнитных слоев. Толщина слоев напрямую влияет на эффективность этого механизма.
Спиновая поляризация и толщина: Толщина ферромагнитного слоя определяет степень спиновой поляризации носителей заряда. Слишком тонкие слои (< 1–2 нм) могут приводить к неполному формированию магнитного порядка, что снижает спиновую поляризацию и, следовательно, величину ГМС. С другой стороны, увеличение толщины ферромагнитного слоя выше критического значения приводит к уменьшению эффекта, так как увеличивается вероятность рассеяния электронов внутри слоя и снижается чувствительность к ориентации соседних слоев.
Квантовые ограничения: Для ультратонких слоев наблюдаются квантовые эффекты, включая ограничение длины волны электрона и формирование квантованных уровней энергии. Эти эффекты усиливают зависимость ГМС от толщины слоев и могут приводить к колебательной зависимости магнитного сопротивления.
Обменная связь между слоями: Толщина немагнитного слоя определяет характер межслойного обменного взаимодействия (RKKY-взаимодействие). Для очень тонких слоев (0.5–1 нм) наблюдается сильное антипараллельное упорядочение намагниченности соседних ферромагнитных слоев, что максимизирует ГМС. При увеличении толщины немагнитного слоя взаимодействие ослабевает, и слои начинают вести себя практически независимо, что снижает величину ГМС.
Рассеяние и подвижность носителей: Толщина немагнитного слоя также определяет вероятность спин-зависимого рассеяния на интерфейсах. Увеличение толщины проводника снижает влияние интерфейсов, и ГМС уменьшается. С другой стороны, слишком тонкие слои приводят к туннельным эффектам и повышенному сопротивлению, что может привести к нестабильной работе устройства.
Морфология интерфейсов: Толщина слоев напрямую влияет на качество интерфейсов. При ультратонких слоях увеличивается роль дефектов, шероховатости и междиффузии атомов между слоями, что снижает спиновую поляризацию и ухудшает ГМС. Для оптимальных толщин интерфейсы остаются относительно гладкими, что минимизирует нежелательное спиновое рассеяние.
Квантовые интерференции: В тонкопленочных структурах возникает явление квантовой интерференции электронов между интерфейсами. Эти интерференционные эффекты приводят к осцилляционной зависимости ГМС от толщины слоев, что наблюдается экспериментально в системах Fe/Cr, Co/Cu и NiFe/Cu.
Экспериментальные исследования показали, что для классических систем Fe/Cr максимальная величина ГМС достигается при толщине ферромагнитного слоя около 2–3 нм и толщине немагнитного слоя 0.9–1.2 нм. Для Co/Cu структур оптимальные толщины соответствуют примерно 2 нм для Co и 1 нм для Cu. Эти соотношения обеспечивают баланс между эффективной спиновой поляризацией, минимальным внутренним рассеянием и устойчивой межслойной антиферромагнитной ориентацией.