垂直磁隧道结中磁化动态特性的研究

发布时间：2017-03-24 00:07

  本文关键词：垂直磁隧道结中磁化动态特性的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【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。
【关键词】：自旋转移矩 磁隧道结 宏自旋 退磁 倾角 磁矩翻转
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP333
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-12
• 第一章 绪论12-22
• 1.1 磁存储技术12-13
• 1.1.1 磁存储技术的发展历程12-13
• 1.1.2 磁存储技术的概述13
• 1.2 磁电阻效应13-17
• 1.2.1 各向异性磁电阻（AMR）13-14
• 1.2.2 巨磁阻效应（GMR）14-16
• 1.2.3 隧穿磁电阻（TMR）16-17
• 1.3 自旋转移矩效应（STT）17-19
• 1.4 磁阻式随机存储器（MRAM）19-20
• 1.5 本文的主要工作及内容20-22
• 第二章 磁性材料中的基本现象22-36
• 2.1 物质的磁性22-25
• 2.1.1 物质磁性的起源22
• 2.1.2 物质磁性的分类22-25
• 2.2 磁晶各向异性25-26
• 2.2.1 磁晶各向异性能25
• 2.2.2 磁晶各向异性等效场25-26
• 2.3 退磁场与退磁因子26-34
• 2.3.1 退磁场26-27
• 2.3.2 退磁场的计算27-29
• 2.3.3 退磁因子与退磁能29-34
• 2.4 本章小结34-36
• 第三章 动态方程与宏自旋模型36-54
• 3.1 Landau-Lifshitz-Gilbert 方程36-41
• 3.1.1 旋磁进动36-37
• 3.1.2 Landau-Lifshitz 方程37-38
• 3.1.3 Landau-Lifshitz-Gilbert 方程38-40
• 3.1.4 归一化 LLG 方程40-41
• 3.2 Macrospin 模型41-49
• 3.2.1 有效场42-43
• 3.2.2 阻尼项43-44
• 3.2.3 热涨落44
• 3.2.4 自旋转移力矩44-49
• 3.3 双宏自旋模型49-50
• 3.4 微磁模型50-51
• 3.4.1 静态方法51
• 3.4.2 动态方法（LLG 方程）51
• 3.5 本章小结51-54
• 第四章 各向异性轴倾角对磁矩动态特性的影响54-60
• 4.1 理论模型54-56
• 4.1.1 模型图简述54-55
• 4.1.2 理论基础55-56
• 4.2 钉扎层磁矩倾角对磁矩动态特性的影响56-59
• 4.2.1 钉扎层磁矩倾角对磁矩翻转时间的影响56-58
• 4.2.2 钉扎层磁矩倾角对阈值电流密度的影响58-59
• 4.3 本章小结59-60
• 第五章 形状各向异性对磁矩动态特性的影响60-66
• 5.1 自由层磁矩倾角及 MTJ 尺寸对磁矩动态特性的影响60-64
• 5.1.1 自由层磁矩倾角及 MTJ 尺寸对磁矩翻转时间的影响60-62
• 5.1.2 不同自由层长度对磁化进动的影响62-63
• 5.1.3 自由层磁矩倾角及 MTJ 尺寸对阈值电流密度的影响63-64
• 5.1.4 本节小结64
• 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64-65
• 5.3 本章小结65-66
• 第六章 总结与展望66-68
• 6.1 工作总结66-67
• 6.2 工作展望67-68
• 参考文献68-74
• 致谢74-76
• 硕士阶段科研成果76

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 丁学厚;;磁性物质中的几种能量用其对磁矩取向的影响[J];磁记录材料;1984年03期

2 何济洲，缪贵玲;两个磁偶极子间的相互作用[J];南昌大学学报(工程技术版);1996年03期

3 李彦波;魏福林;杨正;;磁性隧道结的隧穿磁电阻效应及其研究进展[J];物理;2009年06期

4 刘娜;王海;朱涛;;COFeB/Pt多层膜的垂直磁各向异性研究[J];物理学报;2012年16期

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1 牟从普;自旋转移矩效应驱动磁性纳米结构的磁化动力学研究[D];兰州大学;2013年

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本文编号：264784