论文摘要
微磁学模拟为人们在纳米／微米尺度范围内研究铁磁材料的磁化、反磁化及相关磁特性提供了重要的方法和手段，在铁磁薄膜研究特别是在图形化铁磁薄膜及其微磁器件（磁记录、磁传感）和现在正兴起的磁电子学及应用研究方面得到了广泛的应用。近十年来，随着薄膜材料制备与加工技术的进步，制备精度达到纳米级的图形化铁磁薄膜单元与器件已成为可能。在这种尺寸范围内，图形化铁磁薄膜单元的几何尺寸和在加工与制备过程中产生的应力将对其磁性能产生重要的影响，也是相应微磁器件设计和研制的关键参数之一。因此，开展图形化铁磁薄膜单元的微磁学模拟研究，对于弄清单元中磁化与反磁化的微观过程具有重要理论意义和应用价值。本论文正是针对上述背景，选择NiFe、FeCoSiB等典型铁磁薄膜材料为研究对象，以图形化铁磁薄膜单元磁化、反磁化过程中磁矩分布与转变规律为研究目标，根据微磁学基本原理分析了数值微磁学计算方法与计算过程；应用OOMMF微磁学软件，在建立铁磁薄膜单元物理模型的基础上，研究了磁性随机存储器（MRAM）图形化存储单元的微磁学设计、应力与磁矩的相互作用及图形化单元的动态响应特性等。本论文主要包含以下内容：1．扼要介绍了微磁学基本原理，建立了有限差分形式下磁各向异性能、铁磁交换能、静磁能、磁势能和磁弹性能和有效场的表达式，分析了共轭梯度法求解多元函数最小值的基本思想以及用欧拉法求解Landau—Lifshitz-Gilbert（LLG）方程的基本过程，为正确建立铁磁单元物理模型，分析和讨论计算结果奠定了基础。2．通过与矩形NiFe薄膜单元的对比，发现菱形NiFe薄膜单元形状有独特的磁化反转特性，具有成为优良磁记录单元的巨大潜力；同时，基于优化的菱形NiFe薄膜单元，模拟并分析了字／位线宽度、厚度以及字／位线与磁存储单元之间的距离对菱形单元反磁化状态的影响规律。研究表明：菱形NiFe单元临界短轴长度为100nm，且其易轴方向沿其长轴方向；当菱形单元的长宽比小于2．4时，其反转场随长宽比的增大而增大，反之单元的反转场几乎不随长宽比变化而变化；钉扎层反转场最小时对应的字线厚度为70nm，最大时对应的字线厚度为50nm，且字／位线到存储单元的距离对单元反转过程和单元磁阻效应的影响最大。研究结果可为MRAM的设计和研制提供新思路。3．提出将应力和磁晶各向异性等效为一个单轴磁各向异性等效场，来研究应力对磁矩作用的方法，建立了应力作用下的等效模型，求解出等效各向异性大小和方向的表达式。利用这一模型，研究了应力对亚微米尺寸FeCoSiB图形化单元磁化与反磁化特征的影响规律。研究表明：大的单元尺寸有利于提高应力对剩磁影响的敏感度，最高可达0．9％／MPa，但随应力的增加趋于饱和；对于长度较小的单元，矫顽力对应力敏感性为40 mT／GPa，而在宽度较窄的单元达到80 mT／GPa，且线性增加；选择合适的单元尺寸，在无外磁场的情况下，通过应力的作用可以显著地改变磁性单元的磁化状态。研究结果为图形化单元的剩磁、矫顽力和磁化状态的人工调控，设计和研制新型微磁器件提供了新途径。4．论文研究了在x和z方向的短脉冲磁场作用下，不同尺寸的NiFe椭圆及菱形单元的动态响应特征，从理论上确认和解释了z方向的脉冲磁场不能产生涡旋中心移动的磁矩响应模式，发现了非旋转对称单元中低频下的激发模式，即绕涡旋中心产生节点，为调控磁矩弛豫，实现存储器的纳秒级精确写入（通过减少脉冲宽度）提供了理论指导。