磁性数据存储器的微磁模拟与静动态特性分析

发布时间：2020-12-29 22:36

　　数据存储器件是铁磁材料的主要应用方向之一。目前基于铁磁材料的数据存储器件主要有两类,分别是较为通用的硬盘驱动器（hard disk drive,HDD）和近年来快速发展的磁性随机存储器（magnetic random-access memory,MRAM）。两类器件的特性均可通过LandauLifshitz-Gilbert-Slonczewski（LLGS）微分方程及微磁学理论进行分析预测。因此,展开相关的数值模拟研究对于把握器件特性、了解关键参数之间的消涨关系以及设计验证先进方案均具有重要意义。基于以上研究现状,本文结合微磁模拟与有限元电磁场分析对HDD与MRAM这两类数据存储器件的特性进行了数值模拟分析,主要的研究内容和所得结论如下:（1）根据微磁学理论与微分方程数值求解方法开发了基于有限差分法的微磁模拟程序Micromag。这部分内容首先介绍了LLGS微分方程中涉及的等效力矩、自由能以及相应的有效场,并给出了有限差分的离散表达式。随后推导Micromag中具体求解的分量形式的LLGS微分方程组,并对适用的数值方法进行比较。最后,基于微磁学标准问题#2和#4对程序的计算结果进行了验... 

【文章来源】：太原理工大学山西省 211工程院校

【文章页数】：141 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 硬盘驱动器
        1.1.1 垂直磁记录
        1.1.2 瓦片式磁记录
        1.1.3 热辅助式磁记录
        1.1.4 磁岛式磁记录
        1.1.5 混合式磁记录
    1.2 磁性随机存储器
        1.2.1 平面结构的STT-MRAM
        1.2.2 垂直结构的STT-MRAM
        1.2.3 基于自旋轨道耦合的磁性随机存储器
        1.2.4 各类非易失存储器的比较
    1.3 微磁学与微磁模拟
    1.4 论文的主要内容及章节安排
第二章 基于Landau-Lifshitz-Gilbert方程的微磁模型
    2.1 Landau-Lifshitz-Gilbert方程
        2.1.1 无阻尼的磁矩动态方程
        2.1.2 含阻尼的磁矩动态方程
    2.2 自旋转移矩
        2.2.1 自旋阀中的自旋转移矩
        2.2.2 磁性隧道结中的自旋转移矩
        2.2.3 重金属/铁磁材料异质结构中的自旋转移矩
    2.3 无量纲的Landau-Lifshitz-Gilbert-Slonczewski方程
    2.4 自由能与有效场
        2.4.1 外加磁场
        2.4.2 磁晶各向异性
        2.4.3 交换作用
        2.4.4 静磁作用
        2.4.5 热涨落
    2.5 数值方法
        2.5.1 欧拉法
        2.5.2 Heun's方法
        2.5.3 四阶龙格库塔法
        2.5.4 Admas-Bashforth-Moulton方法
        2.5.5 Dormand-Prince方法
    2.6 Micromag程序说明
        2.6.1 程序编译环境及结构
        2.6.2 模型初始化模块
        2.6.3 退磁张量计算模块
        2.6.4 微磁模拟模块
    2.7 程序的验证
        2.7.1 微磁学标准问题
        2.7.2 微磁学标准问题
    2.8 本章小结
第三章 瓦片式磁记录写场梯度的综合分析
    3.1 模拟方法
        3.1.1 写头的有限元模型
        3.1.2 存储介质的微磁模拟
        3.1.3 有效写场梯度的响应面模型
    3.2 瓦片式磁记录的写入性能分析
        3.2.1 屏蔽结构的响应面模型
        3.2.2 写头-存储介质的综合响应面模型
    3.3 本章小结
第四章 形状各向异性对平面SOT-MRAM单元特性的影响
    4.1 理论模型
        4.1.1 不稳定阈值电流密度的解析表达
        4.1.2 反转阈值电流密度的解析表达
        4.1.3 退磁因子
    4.2 零温度模拟结果
        4.2.1 解析结果
        4.2.2 宏自旋模型与微磁模型的比较
    4.3 热涨落与热稳定性分析
    4.4 本章小结
第五章 基于层间反铁磁耦合的垂直SOT-MRAM
    5.1 单元工作原理与基本结构
        5.1.1 基于自旋霍尔效应的双向自旋流
        5.1.2 层间交换作用
        5.1.3 存储单元结构
    5.2 宏自旋模拟
        5.2.1 反铁磁耦合的双宏自旋模型
        5.2.2 长脉冲驱动下的磁矩反转
        5.2.3 短脉冲驱动下的磁矩反转
        5.2.4 单元热稳定性
    5.3 微磁模拟
    5.4 本章小结
第六章 全文总结与展望
    6.1 工作总结
    6.2 研究展望
参考文献
图索引
表索引
致谢
攻读博士学位期间取得的科研成果
攻读博士学位期间参与的科研项目


【参考文献】：
期刊论文
[1]STT-MRAM存储器的研究进展[J]. 赵巍胜,王昭昊,彭守仲,王乐知,常亮,张有光.  中国科学:物理学 力学 天文学. 2016(10)



本文编号：2946457