磁性隧道结中电流诱导的磁化翻转模拟研究

摘要

1996年“自旋转移矩”效应的理论预言和2000年的首次实验证实被认为是继“巨磁电阻效应”之后的又一里程碑式的新发现。当足够大小的极化电流垂直流过纳米尺度的磁性薄膜器件时，极化电流产生的自旋转移矩将诱导磁矩振荡甚至磁化翻转。在巨磁电阻器件(三明治金属多层膜、自旋阀或磁性隧道结)中观察到的这种由电流诱导的磁化翻转(CIMS)效应为巨磁电阻型随机存储器(MRAM)提供了一种全新的写入新方法，这种电流直接写入的MRAM有助于解决传统磁场写入MRAM的诸多问题。本论文主要研究了磁性隧道结中由电流诱导的磁化翻转。 第二章我们简单介绍了本文所用的微磁模拟方法。第三章中我们将自旋转移矩效应理论引入到我们自行开发的基于Landau—Lifshitz方程的微磁模拟程序中，研究了纳米尺度低电阻磁性隧道结中电流诱导磁化翻转的动力学过程，观察了磁化翻转的关键指标：临界翻转电流密度值，结果与实验报道相吻合；同时，在电流驱动的磁化翻转回线中观察到临界电流不对称，并利用Slonczewski提出的磁性隧道结中的自旋转移矩理论对其进行了合理解释。 第四章中，针对低电阻磁性隧道结，我们建立了“绝缘隧穿通道”和“欧姆通道”并存结构模型，研究了势垒层中由hotspot引起的纳米通道(NCC)非均匀电流效应对自旋转移矩驱动的磁化翻转的影响。结果显示，由于hotspot(NCC)处电流密度局域增大，使得局域自旋转移矩增大，从而导致临界翻转电流值降低。同时发现临界电流密度随NCC面积的增大而减小。为了探索翻转电流降低的物理机理，我们设计了一个可观测的hotspot(NCC)结构，用“快照”的方式研究了自由层磁化翻转的详细动态过程。结果表明，纳米通道非均匀电流通过局域电流密度的提高来增强局域自旋转移矩效应，使hotspot(NCC)局域磁矩先行翻转，而后带动周围磁矩翻转的微观物理机理。 同时，我们发现临界电流和翻转时间与hotspot(NCC)的大小和位置密切相关：随着NCC所占面积比例的增大，临界翻转电流降低，翻转时间加快；在相同面积相同电流下，位于隧道结中心位置的NCC更有利于降低翻转电流和翻转时间。这一结果有望给出一种通过改变磁性隧道结的结构设计而降低磁化翻转电流的有效方法。最后，我们初步讨论了电流产生的热效应对临界翻转电流的影响。

目录

文摘

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第一章引言

§1.1多层膜的巨磁电阻效应

§1.1.1自旋阀结构中的巨磁电阻(GMR)效应

§1.1.2磁性隧道结的隧道巨磁电阻(TMR)效应

§1.2巨磁电阻型随机存储器

§1.3巨磁电阻效应和MRAM的信息读取机理

§1.4传统的MRAM的信息写入机理

§1.5自旋转移矩效应和电流直接驱动磁化翻转(CIMS)的写入方案

§1.6小结

第二章微磁学和数值模拟方法

§2.1铁磁材料的微磁学基础

§2.1.1铁磁材料内相互作用能

§2.1.2能量最小化Brown静态方程

§2.1.3 Landau-Lifshitz-Gilbert(LLG)动力学方程

§2.2数值求解微磁学方程方法

§2.2.1数值求解铁磁体内相互作用能

§2.2.2能量最小化静态计算方法

§2.2.3 LLG动力学方程的数值求解方法

第三章磁性隧道结中电流诱导的磁化翻转

§3.1磁性隧道结中的自旋转移矩效应理论

§3.2微磁模型

§3.3结果与讨论

§3.3.1 CIMS的动力学过程

§3.3.2 CIMS的临界翻转电流

§3.3.3阻尼因子对磁化翻转的影响

§3.4小结

第四章纳米通道非均匀电流效应降低翻转电流研究

§4.1降低翻转电流的研究动机

§4.2低电阻隧道结中的hotspot效应

§4.3纳米通道非均匀电流模型

§4.4纳米通道非均匀电流效应对临界电流的影响

§4.5纳米通道尺度对磁化翻转的影响

§4.6纳米通道位置的影响

§4.7电流导致的热效应

§4.8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