磁隧道结中自旋转移矩效应动态特性及热稳定性的研究
发布时间：2017-07-25 17:39
本文关键词：磁隧道结中自旋转移矩效应动态特性及热稳定性的研究
更多相关文章： 类场自旋转移力矩 磁隧道结 非共线极化层 微磁模拟 翻转特性 自由层磁矩
【摘要】：随着人们对存储技术要求的提高,基于自旋转移矩(STT)效应的磁性随机存储器(STT-MRAM)以其巨大的优势成为磁学领域研究的热点。作为随机存储器的核心组成部分,磁隧道结中磁矩动态特性的研究对于STT-MRAM高存储密度、可扩展性的实现具有关键的意义。近年来,基于Co Fe B-Mg O材料的磁隧道结构得到了特别的关注,其优越的性能为新型磁存储器的商业化提供了光明的前景。但是纳米尺寸磁隧道结中的磁矩更容易受到热扰动的影响,而且过高的电流密度会使绝缘层很容易被击穿,阻碍了自旋转移矩磁性随机存储器商业化目标的实现。如何在保持较高热稳定性的前提下进一步改善磁矩进动的动态特性成为迫切需要解决的难题。本文基于Landau-Lifshitz-Gilbert-Slonczewsk(LLGS)方程,建立了宏自旋与微磁两种模型,对磁隧道结中影响STT效应动态特性以及系统热稳定性的因素进行了探讨,主要研究内容为:1.介绍了磁性存储技术的研究背景和意义,总结了磁性存储器的研究成果和面临的挑战。通过对磁矩进动动态方程的解析以及相互作用能的阐述,为研究磁矩动态特性提供了理论基础。2.分别研究了面内磁隧道结构,特别是Co Fe B-Mg O多层膜结构中形状各向异性以及面外磁隧道结中垂直各向异性的影响。对于面内隧道结而言,合适的尺寸规模对其动态特性的影响很大。自由层长宽比及其厚度的增加,会导致面内各向异性增强,翻转时间与阈值电流密度增大。对于面外垂直磁隧道结而言,垂直各向异性系数越大,磁矩偏离易轴的阻碍作用越强,所需要的阈值电流和翻转时间越大。3.研究了材料参数对热稳定因子及自旋转移效率的影响。主要研究了饱和磁化强度、各向异性系数、自由层尺寸长宽比和厚度以及温度等因素的影响。垂直磁隧道结中自旋转移矩效率会随着自由层厚度的减小而增加,随着垂直各项异性系数的减小而减小,随着饱和磁化强度的减小而增加。在饱和磁化强度和垂直各项异性的幅值降低时,自旋转移矩效率增加,饱和磁化强度对动态特性的增强作用要大于垂直各项异性系数的减弱作用。4.研究了类场项和极化层磁矩初始偏角对磁隧道结阈值电流以及翻转时间的影响。运用微磁模拟的方法对非共线磁性多层膜结构中的自旋转移力矩效应进行了研究,着重考察了Slonczewski项和类场项的影响情况。研究结果表明,在给极化层磁矩一定初始偏角时,阈值电流会大幅减小,减小幅度可达37%。而且类场STT项和Slonczewski项对阈值电流密度和翻转时间有着重要的影响。分析表明类场项和Slonczewski项在一定条件下可以明显地改善磁隧道结的翻转特性,此时类场STT项有效地促进自由层磁矩翻转的进程,从而使阈值电流减小,翻转时间缩短。
【关键词】：类场自旋转移力矩 磁隧道结 非共线极化层 微磁模拟 翻转特性 自由层磁矩
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP333
【目录】：
- 摘要3-5
- ABSTRACT5-10
- 第一章 绪论10-18
- 1.1 研究背景和意义10-11
- 1.2 自旋转移矩效应11-12
- 1.3 磁隧道结的发展及其在器件中的应用12-16
- 1.3.1 磁性随机存储器12-13
- 1.3.2 自旋转移矩磁性随机存储器13-14
- 1.3.3 自旋振荡器14-15
- 1.3.4 磁存储器的研究成果及挑战15-16
- 1.4 论文主要研究内容16-18
- 第二章 磁矩进动方程18-28
- 2.1 铁磁性材料中的能量18-20
- 2.1.1 交换能18-19
- 2.1.2 退磁能19
- 2.1.3 塞曼能19
- 2.1.4 磁晶各向异性能19-20
- 2.2 磁矩进动的动态方程20-24
- 2.2.1 Landau-Lifshitz方程20-21
- 2.2.2 Landau-Lifshitz-Gilbert方程21-22
- 2.2.3 Landau-Lifshitz-Gilbert-Slonczewski方程22-24
- 2.3 龙格库塔法的基本原理24-26
- 2.4 微磁模拟有限差分思想26-27
- 2.5 本章小结27-28
- 第三章 理论模型28-36
- 3.1 宏自旋模型的建立28-29
- 3.2 隧道磁电阻的变化情况29-31
- 3.3 微磁模型31-34
- 3.4 结论34-36
- 第四章 系统热稳定性的研究以及各向异性的影响36-50
- 4.1 系统热稳定性需求的研究37-38
- 4.2 确保非易失性条件下的磁体尺寸大小的研究38-48
- 4.2.1 面内磁各向异性的研究39-40
- 4.2.2 模拟结果与讨论40-43
- 4.2.3 垂直磁各向异性的研究43-44
- 4.2.4 模拟结果与讨论44-48
- 4.3 结论48-50
- 第五章 类场项的影响50-58
- 5.1 研究背景及意义50-51
- 5.2 模型的建立51-52
- 5.3 模拟研究及结果52-56
- 5.3.1 无类场项情况下阈值电流与极化层磁矩偏角的关系52-54
- 5.3.2 考虑类场项情况下翻转时间随极化层磁矩初始角的变化54-55
- 5.3.3 类场项受Slonczewski项影响下，翻转时间与 σ 和 β 的关系55-56
- 5.4 结论56-58
- 第六章 总结与展望58-60
- 6.1 全文总结58-59
- 6.2 工作展望59-60
- 参考文献60-66
- 致谢66-68
- 攻读硕士学位期间发表的学术论文68
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