磁纳米结构的磁动力学及反磁化机制研究

摘要

磁信息记录和信息处理器件都是通过操控磁纳米点，磁多层膜结构的磁矩取向来实现信息的处理。磁纳米结构的反磁化时间决定信息的处理速度。未来高性能的磁信息器件要求磁纳米结构具有亚纳秒的超快反磁化，GHz信息处理频率，这一信息处理频率与磁纳米结构的本征自旋波频率相当。因此，充分认识磁纳米结构的磁动力性质变得十分重要。另外，磁纳米结构的反磁化机制与其磁动力学性质密切相关，弄清这两者间的内在联系，实现可控的反磁化过程成为发展未来高性能磁信息器件的关键问题。进动反磁化方式被认为是实现亚纳秒超快反磁化最有前途的方法。但进动反磁化要求精确控制脉冲持续时间，且进动磁反转后存在长时间磁振荡，不利于实际应用。如何使进动反磁化更利于实际应用成为另一关键问题。针对这些关键问题，本论文基于微磁学理论方法展开如下研究:
　　首先，系统的研究了磁纳米点、纳米三层膜结构的本征磁动力学性质。发现，这些三维受限体系的自旋波表现出与连续磁体不同的特性，如局域化效应和量子化效应，都会出现边缘局域化模式、一致模式和不同形式的量子化自旋波模式。通过改变磁体结构参数可实现对自旋波的频率和空间分布状态的有效调控。在铁磁(FM1)/非磁(NM)/铁磁(FM2)三层膜结构中，每一种自旋波模式都会现光学支和声学支自旋波。通过改变两铁磁层间的静磁或交换耦合可以有效调制光学支自旋波的频率，而声学支自旋波基本不受影响。当两铁磁层的厚度或磁参数不同时，由于两铁磁层各自的本征自旋波频率不同，通过静磁和交换耦合使两磁层的自旋波出现锁频现象。基于微磁学理论和自旋波理论对磁纳米结构上述磁动力学性质以及调制机理给出了解释。
　　其次，系统的研究了上述磁纳米结构的反磁化机制。发现，改变磁体的形状可有效调控磁体的反磁化过程。而这种形状调制与磁体本征磁动力学的变化有着密切的关系。反磁化过程总是伴随着某种自旋波模式的软化。软化自旋波模式的空间分布和对称性决定了反磁化过程中微磁结构的演变。对矩形磁体，其反磁化过程为边缘形核，及随后的磁壁移动来实现，这种反磁化过程是由于边缘局域自旋波模式的软化而诱导产生的。对矩形边缘进行适当的裁剪后，其反磁化过程转变为准一致磁反转过程，这种反磁化过程是由于自旋波一致模式的软化所触发。对反铁磁耦合三层膜结构，当两磁层厚度相同时，反磁化过程从两铁磁层边缘开始形核，伴随着边缘畴的形成，成长和移动过程。边缘局域化光学模式自旋波的软化触发两铁磁层同时反转。当两磁层厚度不同时，反磁化过程经历复杂的微磁结构变化，每种磁结构的变化伴随着某种自旋波模式的软化。
　　最后，研究了纳米磁体的超快进动反磁化过程。提出了一种弱直流自旋极化电流辅助的场诱导进动反磁化机制。无自旋极化电流时，场诱导的进动反磁化需要精确控制脉冲场的持续时间，脉冲持续时间仅处于一个较窄的时间窗口内可实现有效磁反转。此外，进动反转后磁体在新的平衡态附近存在一长时间的磁振荡，增加了磁反转时间。当施加一弱直流极化电流后，可有效扩宽脉冲场持续时间窗口，同时也能有效抑制进动反转后的磁振荡。研究了垂直极化的脉冲电流诱导的进动反磁化过程。这种反磁化机制同样需要精确控制脉冲电流的持续时间，也存在一个磁反转的时间窗口，而脉冲电流的类型对这个时间窗口有很大的影响。对于方形波脉冲电流，其时间窗口较窄;而对于余弦波脉冲电流，具有更宽的时间窗口。其原因是方形波和余弦波脉冲所产生的自旋转移力矩对磁体作用效果不同。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 自旋电子学与自旋电子器件

1．1．1 巨磁电阻效应

1．1．2 隧道磁电阻效应(TMR)

1．1．3 磁动态随机存储器件(MRAM)

1．2 论文研究背景及选题依据

1．3 本论文研究的主要内容

第二章 微磁学及磁动力学理论

2．1 微磁学简介

2．2 微磁学分析中的各种能量

2．3 微磁学计算方法

2．4 自旋转移力矩效应

2．5 自旋波理论

2．5．1 自旋波理论概述

2．5．2 均匀磁化矩形磁纳米薄膜的自旋波特性

2．6 本章小结

第三章 磁纳米结构磁体系的本征自旋波特性

3．1 引言

3．2 椭圆纳米点的自旋波特性

3．2．1 激发磁场对称性对自旋波的影响

3．2．2 厚度对椭圆磁纳米点自旋波的调制

3．3 磁纳米点形状对自旋波本征特性调制

3．4 三层膜磁纳米结构的自旋波本征特性

3．4．1 对称型三层膜磁纳米结构的自旋波特性

3．4．2 静磁耦合强度对自旋波本征特性的调制

3．4．3 反铁磁耦合强度对自旋波本征特性的调制

3．5 非对称型三层膜磁纳米结构的自旋波特性

3．5．1 铁磁层厚度非对称三层膜纳米结构的自旋波特性

3．5．2 磁参数非对称三层膜磁纳米结构的自旋波特性

3．6 本章小结

第四章 磁纳米结构体系的反磁化机制及自旋波软模现象

4．1 引言

4．2 矩形纳米点的反磁化与自旋波的软化

4．2．1 矩形纳米点的反磁化特性

4．2．2 矩形磁纳米点微磁结构状态变化和自旋波模式软化

4．3 形状对磁纳米点的反磁化与自旋波软化现象的调制

4．3．1 形状对磁纳米点的反磁化过程的调制

4．3．2 形状对磁纳米点的微磁结构状态变化和自旋波软模式特性的调制

4．3 反铁磁耦合三层膜纳米结构的反磁化及自旋波软化现象

4．3．1 厚度对称的三层膜的反磁化特性

4．3．2 厚度对称的三层膜微磁结构状态变化与自旋波软模特性

4．3．3 厚度非对称三层膜的反磁化特性

4．3．4 厚度非对称三层膜的微磁结构状态变化和自旋波软模特性

4．4 本章小结

第五章 纳米磁体的超快进动反磁化过程研究

5．1 引言

5．2 磁场驱动的进动反磁化

5．2．1 磁场驱动进动反磁化机理

5．2．2 脉冲持续时间窗口的扩宽

5．2．3 磁反转后磁振荡的抑制

5．3 自旋极化电流驱动的进动反磁化

5．3．1 自旋极化电流驱动的进动反磁化机理

5．3．2 方形波脉冲电流驱动的进动反磁化

5．3．3 余弦波脉冲电流驱动的进动反磁化

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间主要研究成果