垂直磁各向异性隧道结的铁磁共振及其振荡和翻转机理的研究

摘要

自旋电子学是近年来研究的热点之一，其在工业上有着广泛的应用。自1996年理论预言了自旋转移矩效应(STT)的存在后，其很快被实验所证实。在随后短短几年迅速发展成国际磁学界研究的一个重要热点。它是巨磁电阻效应之后，自旋电子学领域的又一重大发现。这种效应提供了一种仅靠电流就可实现对铁磁薄膜材料磁化矢量方向进行操纵的有效方法，它可以为磁性储存器提供简单可靠的数据写入方案。
　　本文通过理论推导、计算模拟来对构成磁性存储器（MRAM）及磁性纳米器件的隧道结(MTJ)的自由层进行了动力学性质的研究，并为STT-MRAM，自旋纳米振荡器(STO)的实际应用做出理论指导。通过改变纳米器件钉扎层的磁化矢量和电流，来比较各种磁性存储器翻转的临界电流和翻转时间，从而得到加快纳米磁性存储器的翻转速度和提高纳米振荡器振荡频率的合理方案。
　　本论文主要包括以下研究内容:
　　1、介绍了含有自旋转移矩效应的磁性纳米器件的研究背景、研究意义、及其应用前景。
　　2、在本文中，我们研究了垂直磁各向异性的隧道结，通过对Landau-Lifshitz-Gilbert-Slonczewski(LLGS)方程线性化处理，给出在磁性隧道结自由层中，关于电流密度、外加磁场、微波频率及自旋转移矩与类场矩的比值的共振关系;研究了垂直磁各向异性磁性隧道结在磁场、微波频率、电流调节和自旋转移矩与类场矩的比值调节的铁磁共振。研究表明:共振曲线的线宽、位置和强度都可以通过直流电流密度的大小方向、磁场大小、微波磁场及自旋转移矩与类场矩的比值来调节。通过调整他们的关系可以使得有效阻尼达到最小。
　　3、基于宏自旋(Macrospin)模型，给出了隧道结中自由层在球坐标下的LLGS方程，通过对LLGS方程的各部分的整体分析，解释电流驱动磁化矢量的动力学特性。
　　4、研究了垂直磁各向异性的隧道结构成的磁性纳米存储器的翻转机理，及如何提高磁化矢量翻转速度，减少翻转用的时间，并研究了带有自旋霍尔矩结构的双固定层的存储器。
　　5、研究了水平垂直磁各向异性磁性振荡器的机理，振荡的振幅大小，通过傅里叶变换求出了振荡的频率;并发现水平垂直各向异性振荡器相对于垂直磁各向异性振荡器的一些新的性质，并通过能量的分析给出了解释。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 自旋电子学简介

1．3 巨磁阻效应

1．4 自旋阀和隧道结

1．5 自旋转移矩效应

1．6 磁性纳米存储器

1．6．1 传统的MRAM

1．6．2 STT-MRAM

1．6．3 赛道存储器

1．7 纳米振荡器

1．8 本文的研究内容

第二章 理论基础

2．1 微磁学简介

2．2 磁学中的各种作用能

2．2．1 塞曼能

2．2．2 交换能

2．2．3 磁晶各向异性能

2．2．4 退磁能

2．3 磁化矢量的进动方程

2．4 自旋转移矩

2．5 带有自旋转移矩的磁化矢量的进动方程

2．5．1 LLGS方程

2．5．2 宏自旋模型

2．6 龙格-库塔法的数值计算方法

第三章 垂直磁各向异性隧道结的铁磁共振

3．1 铁磁共振简述

3．2 理论模型及计算

3．3 结果与讨论

3．3．1 不同电流密度下，随微波频率变化的铁磁共振

3．3．2 不同电流密度下，随外加磁场变化的铁磁共振

3．3．3 不同外加磁场下，随微波频率变化的铁磁共振

3．3．4 不同类场矩与自旋转移矩比值，随电流变化的铁磁共振

第四章 垂直磁各向异性的隧道结的翻转

4．1 垂直磁各向异性STT存储器

4．1．1 理论模型及计算

4．1．2 结果及讨论

4．2 双固定层的隧道结

4．3 带有自旋霍尔矩的隧道结

4．3．1 模型与理论

4．3．2 分析与结果

第五章 水平垂直磁各向异性的隧道结的振荡

5．1 理论模型及计算

5．2 结果与讨论

5．2．1 调节类场矩值的振荡分析

5．2．2 调节电流的振荡分析

本文总结与展望

工作总结

展望

参考文献

致谢