垂直磁隧道结中纳米涡旋态微磁学模拟

论文摘要

由卷曲的磁矩组成的涡旋态是软磁材料的一个基本平衡态,它广泛的存在于方形或者圆形的纳米材料中,并产生了丰富的物理现象。2000年,T.Shinjo首次通过磁力显微镜观测到磁性纳米点中涡旋态的存在,引起了学术界的极大兴趣。STT效应的发现提供了一种新的操纵纳米级磁性孤子的方法。使得涡旋在电流诱导开关的新型非易失性存储器以及直流驱动的微波震荡器等领域的应用成为现实。这种由极化电流诱导的开关方式取代了传统的场致开关,极大的降低了器件功耗,提高了产品的集成度。涡旋态的研究对象主要集中在面内磁各向异性材料。与传统的面内磁各向异性隧道结相比,垂直磁各向异性MTJ具有开关电流密度低,热稳定性高等优势,逐渐成为STT-MRAM的主流存储单元。垂直磁各向异性涡态是平衡退磁能、单轴垂直磁各向异性能、交换耦合能和极化层杂散场所产生的塞曼能而形成的。因此,它比面内磁各向异性涡旋态要复杂得多,而且很难用解析方法进行分析。针对上述问题,本文通过微磁学模拟的方法对垂直磁各向异性MTJ中涡旋态产生的物理机制及其与关键参数的相关性展开了深入研究,并取得了以下几个方面的研究成果:（1）利用微磁学模拟工具OOMMF创建了垂直磁各向异性MTJ模型,对比研究了垂直磁各向异性MTJ与面内磁各向异性MTJ的电学性能。与面内此隧道结相比,在相同的开关电流密度下,垂直磁各向异性MTJ具有更短的开关时间。同时,垂直磁各向异性MTJ中器件由P状态翻转到AP状态与AP状态翻转到P状态的时间差较小,不同状态之间切换的一致性较面内磁各向异性MTJ更高。开关过程中,垂直磁各向异性MTJ磁化强度震荡幅度较小且平缓,可靠性要高于面内磁各向异性MTJ。（2）通过微磁学模拟研究了垂直磁各向异性MTJ自由层涡旋分布态的产生及稳定过程,重点分析了涡旋态产生过程中磁化强度分布图的时间演化规律及特定位置处磁矩旋进轨迹。分析结果表明,当垂直磁各向异性常数小于某一临界值时,垂直磁各向异性MTJ中涡旋态的形成可以由初始垂直磁盘平面均匀分布的磁化状态经自然弛豫所得到。磁化强度的弛豫过程可分为三个部分:成核、周期旋进和阻尼振荡。涡旋态的形成过程中,磁盘不同位置处磁矩的旋进幅度有很大区别,由磁盘边缘到中心位置逐渐降低,但不同位置处磁矩的旋进过程和时间同步。通过分析弛豫过程中系统内部能量变化的时间相关性,揭示出涡旋态的形成是退磁场能、交换能及垂直磁各向异性能均衡的结果。（3）模拟研究了垂直磁各向异性MTJ中涡旋态的产生过程与垂直磁各向异性常数的相关性。涡旋态的产生时间与垂直磁各向异性常数不是严格的单调关系,会产生三个极值。通过分析不同垂直磁各向异性常数下磁化强度分布图的时间演化规律,发现了涡旋态的两种不同产生模式:成核-周期旋进-阻尼振荡和成核-阻尼振荡。提取绘制了磁盘特定位置处磁矩的旋进轨迹图,研究了不同旋进过程磁矩角度与垂直磁各向异性常数的相关性。结合内部各项能量的变化,揭示出涡旋产生时间与垂直磁各向异性常数非单调变化的物理机制。（4）模拟研究了自旋极化电流对初始磁化强度均匀分布（一致垂直磁盘平面向外）翻转过程的影响。重点分析了翻转过程与垂直磁各向异性常数的关系。结果表明,在不同的垂直磁各向异性常数下,自由层磁化强度分布的最终稳定态可分为涡旋态、均匀分布态和原状态三种不同结果。不同的磁化分布态可归因于退磁、交换和垂直磁各向异性能量之间的权衡。涡旋态的产生也与极化层产生的非均匀杂散场有关,最终稳定的磁化强度大小取决于垂直磁各向异性常数。涡旋和均匀分布态有这不同的翻转过程,涡旋态为:成核-周期旋进-阻尼振荡;均匀分布为:成核-周期旋进-自旋波激发。翻转时间随垂直磁各向异性常数的增加呈现先减小后增加的趋势,主要归因于不两种不同的翻转过程。（5）模拟研究了垂直磁各向异性MTJ中极化电流诱导涡旋极化翻转的动态过程,重点分析了极化电流密度及垂直磁各项异性常数对涡旋极化翻转时间及涡旋手性的影响。电流密度相同的条件下,极化翻转时间随垂直磁各向异性常数的增加呈现出先增后降的趋势。主要归因于不同的垂直磁各向异性常数下涡旋态极化翻转的不同模式。当垂直磁各向异性常数较小时,根据极化电流的不同极化翻转模式分为两种:涡旋核旋进-涡旋核的消失-磁化翻转-反向涡旋核产生-反向涡旋核旋进;涡旋核旋进-涡旋核极化翻转-自旋波激发-反向涡旋核产生-反向涡旋核的旋进。当垂直磁各向异性常数较大时,极化翻转模式为:涡旋核的缩小-涡旋核的极化翻转-自旋波激发-反向涡旋核的产生。该模式中,涡旋核极化翻转过程中不会产生旋进。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 磁隧道结
•     1.1.1 磁隧道结及其物理效应
•     1.1.2 STT-MTJ模型与模拟
•     1.1.3 磁性随机存储器
•   1.2 磁性涡旋态
•     1.2.1 磁性涡旋态的产生机理
•     1.2.2 磁性涡旋态的表征
•     1.2.3 磁性涡旋态的动态特性
•   1.3 本章小结
• 第二章 微磁学模拟
•   2.1 铁磁材料中的基本能量
•     2.1.1 连续性假设
•     2.1.2 交换能
•     2.1.3 磁晶各项异性能
•     2.1.4 退磁场能
•     2.1.5 赛曼能
•   2.2 微磁学模型
•     2.2.1 静态微磁学模型
•     2.2.2 动态微磁学模型
•     2.2.3 微磁学仿真工具
•   2.3 OOMMF微磁学模拟
•     2.3.1 OOMMF功能模块
• Ext子类'>    2.3.2 标准Oxs_Ext子类
•   2.4 本章小结
• 第三章 垂直磁隧道结微磁模型创建及电学性能分析
•   3.1 垂直磁隧道结微磁学模型
•     3.1.1 P-MTJ物理模型
•     3.1.2 模型参数设置
•   3.2 电学性能分析
•     3.2.1 开关过程中自由层平均磁化强度的时间相关性
•     3.2.2 开关过程中自由层磁化强度分布图的时间演化
•     3.2.3 开关过程中系统能量的变化
•   3.3 本章小结
• 第四章 垂直磁隧道结中涡旋态的产生
•   4.1 磁性涡旋态的产生机理
•     4.1.1 涡旋态产生的物理条件
•     4.1.2 磁化强度分布图的时间演化
•     4.1.3 磁盘不同位置处磁矩旋进轨迹
•     4.1.4 涡旋形成过程中的能量变化
•     4.1.5 稳定涡旋态的手性
•   4.2 涡旋态的形成过程与垂直磁各项异性常数相关性
•     4.2.1 涡旋的形成时间与Ku相关性
•     4.2.2 磁矩旋进轨迹与Ku相关性
•     4.2.3 涡旋形成时间与Ku相关性的物理机制
•   4.3 本章小结
• 第五章 垂直磁隧道结中电流诱导涡旋态极化翻转
•   5.1 电流诱导初始磁化强度均匀分布态极化翻转
•     5.1.1 模拟设置及结果
•     5.1.2 开关时间与垂直磁各向异性的相关性
•     5.1.3 垂直磁各向异性对磁化分布的影响
•     5.1.4 稳定态系统能量与垂直磁各向异性的相关性
•   5.2 电流诱导涡旋态极化翻转
•     5.2.1 涡旋态极化翻转过程
•     5.2.2 垂直磁各向异性对涡旋态极化翻转的影响
•     5.2.3 开关电流密度对涡旋态极化翻转的影响
•   5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 总结
•   6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 杨茂森

导师: 方粮

关键词: 垂直磁各项异性隧道结,垂直磁各向异性常数,涡旋态,自旋转移力矩,自旋极化电流,微磁学模拟

来源: 国防科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,计算机硬件技术

单位: 国防科技大学

分类号: O441.2;TP333

DOI: 10.27052/d.cnki.gzjgu.2019.000031

总页数: 140

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