垂直磁各向异性器件中的自旋转移矩效应模拟研究

论文摘要

随着对自旋电子特性的深入研究,自旋电子学展示出极其广泛的应用前景,成为近年来凝聚态物理的研究热点之一。自旋转移矩效应在1996年的理论预言与2000年的实验验证,是继巨磁电阻效应之后,自旋电子学领域的又一重大发现。它提供了一种仅靠电流就可翻转铁磁薄膜磁矩方向的有效操纵,有望为磁性随机存储器(MRAM)提供一套简单可靠的数据写入方案。本论文将围绕着具有垂直磁各向异性的自旋阀和隧道结中的自旋转移矩效应进行研究,主要内容包括：第一,我们研究了3x3 MRAM阵列中由垂直磁化自旋阀作为记录单元时,单元间的相互作用对磁化矢量翻转的影响问题；第二,我们研究了隧道结中垂直自旋转移矩在自由层磁化矢量翻转过程中的机制和动力学行为特性。论文组织如下：第一章简单介绍了巨磁电阻效应和自旋转移矩效应,以及它们在MRAM中的应用机理。第二章描述了本文所采用的微磁模拟方法。第三章,我们研究了由垂直各向异性自旋阀构成的MRAM中,各记录单元之间的相互作用效应对自旋转移矩诱导的磁矩翻转的影响问题。单元间的交互作用主要有散磁场和共振两方面作用.我们研究发现,在高密度MRAM中这种交互作用的影响不可忽视,与单个孤立单元相比,所需要的翻转电流发生明显改变。不同于面内磁各向异性材料,在垂直磁各向异性自旋阀阵列中,单元间的散磁场明显影响着临界翻转电流密度的大小,相比而言单元间的共振作用比较弱。模拟显示,在自由层磁矩翻转过程中伴随着布洛赫(Bloch)畴壁的生成和移动，与实验结果相符。第四章,我们研究了磁性隧道结中垂直自旋转移矩效应诱导的磁化翻转特性。不同于自旋阀,在隧道结中自旋转移矩的垂直项效应在磁化翻转中却起着很重要的作用。我们微磁模拟了自旋转移矩在有或无垂直项两种情况下的磁矩翻转。我们发现,垂直自旋转移矩的功效与电流流向相关,在负电流时垂直转矩项作用明显大于正电流情况；在相同负电流时,有垂直项时比没有垂直项时的磁矩翻转时间快；随着电压的增大,垂直项作用增强。这些微磁模拟结果可以在一定程度上依据非平衡界面交换耦合理论得以解释。第五章为全文的总结和展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• §1.1 多层膜的巨磁电阻效应（GMR）
• §1.1.1 巨磁电阻效应定义及物理机制
• §1.1.2 自旋阀及隧道结结构巨磁电阻效应
• §1.2 自旋转移矩效应（STT）
• §1.3 巨磁电阻型随机存储器（MRAM）及其数据读取
• §1.4 MRAM的数据写入
• §1.4.1 磁场写入模式
• §1.4.2 全电流写入模式
• §1.5 垂直磁各向异性MRAM
• §1.6 小结
• 第二章 微磁模拟方法
• §2.1 磁性材料的微磁学模拟
• §2.1.1 铁磁材料内的各项能量
• §2.1.2 铁磁材料内各项能量和相应磁场的数值求法
• §2.1.3 Landau-Lifshitz-Gilbert（LLG）动力学方程
• §2.1.4 含自旋转移矩的LLG动力学方程
• §2.2 数值积分方法
• §2.2.1 有限差分方法
• §2.2.2 LLG动力学方程的数值求解方法
• §2.3 小结
• 第三章 垂直磁各向异性随机存储器中记录单元相互作用研究
• §3.1 随机存储器中记录单元相互作用
• §3.2 面内磁各向异性随机存储器中记录单元相互作用
• §3.2.1 面内磁各向异性记录单元的交互作用动力学模拟
• §3.2.2 面内磁各向异性记录单元的相互作用特性
• §3.3 垂直磁各向异性随机存储器中记录单元交互作用
• §3.3.1 垂直磁各向异性记录单元的相互作用动力学模拟
• §3.3.2 三种不同近邻单元构型对目标单元临界翻转电流的影响
• §3.3.3 磁化翻转的微观分析
• §3.3.4 共振作用及频谱分析
• §3.4 小结
• 第四章 磁性隧道结中垂直自旋转移矩效应研究
• §4.1 隧道结自旋转移矩解析形式分析
• §4.2 垂直自旋转移矩的微磁模拟
• §4.2.1 垂直自旋转移矩特性
• §4.2.2 微磁模拟的参数设置及近似
• §4.3 隧道结中垂直自旋转移矩对磁化翻转的影响
• §4.3.1 两种模式下翻转时间与电流关系
• §4.3.2 两种模拟形式下磁化翻转过程比较
• §4.4 小结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 硕士期间已发表论文
• 致谢