垂直磁隧道结中磁化动态特性的研究

摘要

随着科技的发展和大数据时代的到来，信息已经成为人们正常生活中不可分割的一部分。大数据的记录使得小器件、大容量的存储器件成为大众所追求的目标。因此，改善和提高存储器件的密度具有十分重要的意义。由于垂直结构的自旋转移矩磁阻式随机存储器（STT-MRAM）具有非易失性和高速无限写入循环等优势，而被研究人员认为将会成为主流的通用存储器。
　　在磁性纳米结构内，磁矩翻转动力学特性是反映存储器件性能的直接指标，该特性的研究对磁存储以及自旋电子学都具有十分重要的意义。然而，由于以往使用面内磁结构，为了达到降低电流密度的目的，所制作的磁存储器件截面积较大，因此通常在使用宏自旋模型对STT-MRAM的分析中采用简化的退磁因子，即只考虑垂直方向退磁因子影响（或是假定截面积无穷大）。但是在垂直磁结构中，翻转电流密度较小，在不失热稳定的前提下可以进一步减小其截面积，这种情况下如不考虑横截面积的影响就可能带来较大误差。同时，之前的研究表明，通过改变自由层或极化层的厚度，如改变CoFeB薄膜或者Co/Pd多层膜的厚度，可以使磁矩产生一个小的倾角，但在尺寸有限的情况下该倾角的大小对磁矩翻转的影响尚不明确。为此，本文围绕磁矩翻转的动态特性作了如下工作:
　　1.介绍了磁存储的意义、发展历程、当前现状和未来发展方向。
　　2.介绍了退磁场及退磁能，并采用磁偶极子相互作用的观点对退磁场进行了详细的推导计算，同时对椭球体与矩形结构中各分量退磁因子作了归纳总结。
　　3.深刻阐述了宏自旋模型的处理方法，并列出了其优缺点。尤其通过数值模拟的方法，着重对自旋转移矩(STT)效应的工作机理及作用效果进行了说明。
　　4.在基于LLG方程的宏自旋(Macrospin)模型中，引入平面内的退磁因子分量，重点研究了垂直磁各向异性(Perpendicular Magnetic Anisotropy，PMA)铁磁材料的磁隧道结(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)中自由层磁矩翻转时间及阈值电流随钉扎层磁矩倾角的变化。研究结果表明，小的钉扎层磁矩倾角可以大幅改善磁矩的翻转时间与阈值电流密度。
　　5.具体讨论了宏自旋(Macrospin)模型中器件形状对磁矩翻转特性的影响，给出了自由层磁矩翻转时间与阈值电流密度随自由层长度、厚度变化的特征。同时也分析了自由层磁矩倾角对磁矩翻转时间及阈值电流密度的影响，并与钉扎层磁矩倾角产生的结果进行了对比。结果表明，在垂直结构中，小的磁矩倾角及合适长厚比可以大幅度的缩短磁矩翻转时间及减小所需阈值电流。另外，与传统的算法相比，相同条件下所得到的磁矩翻转时间及阈值电流密度值都要较高，且更为准确。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 磁存储技术

1．1．1 磁存储技术的发展历程

1．1．2 磁存储技术的概述

1．2 磁电阻效应

1．2．1 各向异性磁电阻(AMR)

1．2．2 巨磁阻效应(GMR)

1．2．3 隧穿磁电阻(TMR)

1．3 自旋转移矩效应(STT)

1．4 磁阻式随机存储器(MRAM)

1．5 本文的主要工作及内容

第二章 磁性材料中的基本现象

2．1 物质的磁性

2．1．1 物质磁性的起源

2．1．2 物质磁性的分类

2．2 磁晶各向异性

2．2．1 磁晶各向异性能

2．2．2 磁晶各向异性等效场

2．3 退磁场与退磁因子

2．3．1 退磁场

2．3．2 退磁场的计算

2．3．3 退磁因子与退磁能

2．4 本章小结

第三章 动态方程与宏自旋模型

3．1 Landau-Lifshitz-Gilbert方程

3．1．1 旋磁进动

3．1．2 Landau-Lifshitz方程

3．1．3 Landau-Lifshitz-Gilbert方程

3．1．4 归一化LLG方程

3．2 Macrospin模型

3．2．1 有效场

3．2．2 阻尼项

3．2．3 热涨落

3．2．4 自旋转移力矩

3．3 双宏自旋模型

3．4 微磁模型

3．4．1 静态方法

3．4．2 动态方法(LLG方程)

3．5 本章小结

第四章 各向异性轴倾角对磁矩动态特性的影响

4．1 理论模型

4．1．1 模型图简述

4．1．2 理论基础

4．2 钉扎层磁矩倾角对磁矩动态特性的影响

4．2．1 钉扎层磁矩倾角对磁矩翻转时间的影响

4．2．2 钉扎层磁矩倾角对阈值电流密度的影响

4．3 本章小结

第五章 形状各向异性对磁矩动态特性的影响

5．1 自由层磁矩倾角及MTJ尺寸对磁矩动态特性的影响

5．1．1 自由层磁矩倾角及MTJ尺寸对磁矩翻转时间的影响

5．1．2 不同自由层长度对磁化进动的影响

5．1．3 自由层磁矩倾角及MTJ尺寸对阈值电流密度的影响

5．1．4 本节小结

5．2 自由层磁矩倾角与钉扎层磁矩倾角对磁矩动态特性影响的对比

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 工作展望

参考文献

致谢

硕士阶段科研成果