基于磁涡旋的自旋纳米振荡器的微磁学模拟

摘要

自科学家Albert Fert和Peter Grunberg发现巨磁阻效应(GMR)之后，以自旋极化电子输运以及相关元件开发为基础的自旋电子学得以形成，且磁性传感器和数据存储等技术也得到了迅速发展。随后，理论预言的自旋转移矩(spin transfer torque。STT)效应在实验上的实现，被认为是继GMR效应后的另一里程碑式的重大发现。具体来说，当自旋极化电流通过磁性多层膜时，其极化电子所带的角动量转移给磁性层的局域磁矩，进而对局域磁矩产生一个 STT力矩作用。在自旋阀或隧道结结构中，STT可以激发磁性层局域磁矩发生不同的动力学过程，例如磁畴移动，磁矩的翻转或稳定进动等，从而可以应用在微波发生器,磁性传感器及赛道存储器等器件上。
　　本研究主要内容包括：⑴坡莫合金自由层中涡旋态与Dzyaloshinskii-Moriya相互作用参数D的关系。当D达到临界值Dthre时，磁化状态从磁涡旋态变为螺旋形的条纹态。当|D|>Dthre时，磁化状态是一个条纹态。对于|D|0时，磁涡旋核的尺寸随D值的增大而变大；相反，D<0情况的磁涡旋核的尺寸则变小。⑵当D=3mJ/m2时，随着电流密度的增加，磁涡旋核的进动频率大约是D=0情况的3倍，其可承受的电流密度和所加电流范围也会更大，以及当纳米盘尺寸R=50nm时微波线宽变窄。⑶对于D=3mJ/m2，圆盘尺寸R越小，则其进动频率越高且可调的频率范围和所加电流密度也更大。⑷在无杂质的纳米盘中，涡旋核的进动半径和进动频率随电流密度的增加而增加。⑸当环状杂质是吸引势时，涡旋核可穿过环，并且杂质环的内半径对进动半径和进动频率有调控作用，其频率调控范围约为70MHz。⑹当环状杂质为排斥势时，对于无垂直各向异性的环，涡旋核可穿过环，杂质环的内半径，环宽和环的交换常数及饱和磁化强度对其进动半径和进动频率都有调控作用，且频率最大调节范围约为640MHz。对于有垂直各向异性的环，环宽较小时涡旋核可穿过环，环宽较大时涡旋核在环内半径边界处极性翻转。环的内半径和交换常数对频率有一个大的调控，而环宽和垂直各向异性常数对其有一个微调。⑺基于GPU加速的MuMax3软件模拟了纳米盘中的空点对磁涡旋核动力学过程的影响。当空点离盘几何中心的距离r变化时，涡旋核进动出现不同的情况。首先，当r=25 nm时的涡旋核被空点钉扎住。其次，r在35 nm到75 nm的范围内时，涡旋核能周期性振荡所需的时间却随着r的增加而逐渐增加，且进动频率可在约10 MHz范围内微调，而且当r=35 nm时，随纳米盘尺寸的增加进动频率调控范围为725 MHz。最后，对于r=75 nm的情况，周期性振荡所需的时间大约是没有空点情况的一半，并且涡旋核可运动所需的电流密度更小。

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第一章 绪论

1.1磁电阻效应

1.2自旋转移矩效应

1.3自旋转移纳米振荡器

1.4磁涡旋

1.5本论文的主要工作

参考文献

第二章 微磁学

2.1磁性材料中的各种作用能

2.2微磁学静态Brown方程

2.3微磁学动态LLG方程

2.4数值微磁学

2.5常用的模拟软件

参考文献

第三章 引入Dzyaloshinskii-Moriya相互作用对涡旋核磁化状态和进动的影响

3.1微磁学模拟

3.2 DMI对静态磁涡旋核的影响

3.3 DMI对磁涡旋核进动的影响

3.4 结论

参考文献

第四章 纳米圆盘中环状磁性杂质对磁涡旋核进动的影响

4.1微磁学模拟

4.2理论分析

4.3无环状杂质体系的研究

4.4环状杂质对磁涡旋核的吸引作用

4.5环状杂质对磁涡旋核的排斥作用

4.6 结论

参考文献

第五章 空点对磁涡旋核动力学的影响

5.1 模型介绍

5.2 不同r的磁涡旋核研究

5.3 with/without 空点时涡旋核的进动过程

5.4 结论

参考文献

第六章 结论与展望

6.1主要结论

6.2工作展望

在学期间研究成果

致谢