磁畴壁和涡旋态自旋动力学的微磁学研究

发布时间：2017-08-08 13:12

  本文关键词：磁畴壁和涡旋态自旋动力学的微磁学研究

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【摘要】：自旋转移矩(Spin-transfer Torque, STT)效应的发现,使得在磁性纳米结构中操纵局域磁矩的动力学过程成为可能。在不借助于外加磁场的情况下,STT有足够的能力激发磁矩进动,实现不同类型的磁化动力学过程,比如磁化反转,磁畴壁移动和磁矩的稳定进动等。带状或柱状磁性纳米结构中磁特性的研究不仅可以为磁化动力学过程提供一个更为深入的理解,而且对于实现广泛的技术应用具有重大的意义。近年来随着对纳米结构中磁特性的深入研究,赛道存储器,微波振荡器以及磁场传感器等一系列新颖的概念被提出甚至已经实现相关的技术应用。本论文采用微磁学方法,主要研究了不同的纳米体系中自旋转移矩对磁畴壁和涡旋态的动力学过程的作用。对磁畴壁的研究,我们主要关注在畴壁移动过程中一个非常重要的现象一Walker breakdown,并通过各种方法提高Walker极限进而提高畴壁的移动速度。在另一部分关于磁涡旋态的工作中,对涡旋核的进动以及相互耦合的两涡旋核之间相位锁定过程进行了深入的研究。具体内容和研究方法如下：1.磁性纳米带中畴壁移动首先,局域的几何缺陷和杂散场可以为处于纳米带中的畴壁提供一个钉扎势阱,从而阻碍畴壁的正常移动。与此同时,钉扎位的存在也会改变磁畴的结构特征。当畴壁受到钉扎的作用发生适当的结构形变时,会有利于畴壁的移动。为了对这两个相互矛盾的作用效果有一个更加系统的理解,我们选取一个纳米带一纳米栅系统作为模型,对畴壁在纳米带中的运动特征进行了系统的研究。结果表明当纳米带两侧周期排列的纳米栅与纳米带没有几何接触时,其对畴壁的钉扎主要来自于杂散场并且钉扎强度远远小于几何钉扎,一系列周期性变化的杂散场同时可以使畴结构产生适当的形变,进而有利于提高畴壁的移动速度。另外通过理论分析,我们发现驱动180°畴壁进行长程移动的力与退磁场的作用直接相关,而磁性材料的几何结构影响内部退磁场的分布,因此畴壁的移动速度与材料的几何结构是密切相关的。基于此理论分析,我们通过微磁学手段研究了纳米带中磁畴壁在静态磁场作用下的运动过程,通过改变纳米带横截面的形状,在相同的磁场强度下畴壁的移动速度可以得到明显的提高。其次,我们研究了磁性纳米带中360°畴壁的动力学特征。360°畴壁是由两个横向180°畴壁组成的亚稳磁结构,畴壁两侧的磁化方向是一致的。因此通过一个静态磁场只能改变360°畴壁的静态结构,而不能使它的位置发生移动,然而自旋极化电流则可以通过STT效应使360°畴壁发生长程位移。由于360°畴壁结构的不稳定性,在电流驱动畴壁运动的过程中很容易湮灭。通过对畴壁湮灭物理过程的分析,我们提出了借助面外偏置磁场的方法提高畴壁结构的稳定性,并且畴壁移动速度也可以得到大幅提高。最后,在强自旋轨道相互作用和反演对称性(晶体结构或界面对称性)缺失的共同作用下,会在磁性材料内部存在一种手性交换相互作用-Dzyaloshinskii-Moriya相互作用(Dzyaloshinskii-Moriya interaction, DMI)。DMI不仅影响纳米带内畴壁的静态特征,同时也对畴壁移动的动态特征有显著的影响。在本部分工作中,我们系统研究了DMI对畴壁静态和动态特征的影响。2.相互耦合的两涡旋核间的相位锁定适当的自旋极化电流可以驱动涡旋核进行稳定的回旋运动。可以利用这一特性设计自旋纳米振荡器。设计自旋纳米振荡器阵列是提高功率输出的一种有效途径,同时对自旋纳米振荡器之间相位的调控也可以应用于有源相位控制等微波电子电路。在阵列化自旋纳米振荡器中,必须实现相邻自旋纳米振荡器之间稳定的同步运动。我们本部分工作系统研究了相互耦合的涡旋态之间的同步问题。首先,两涡旋态通过偶极相互作用相互耦合时,通过采用点接触的自旋注入方式可以大幅提高完成相位锁定所允许的电流密度区间。结合理论分析,我们将耦合强度等因素对两涡旋核间的相位锁定参数的影响进行了系统的研究。其次,通过磁性桥连接时,涡旋态之间的耦合方式来自于交换和偶极相互作用,具有更大的耦合强度。两涡旋态之间完成相位锁定所需要的时间大大缩短。但是由于桥连接的作用,相位锁定后两涡旋态之间的相位差固定在一个非零值,并且相位差可以通过耦合强度,奥斯特场分布以及自旋阀结构的几何大小等因素进一步调节。对涡旋核之间相位锁定过程进行系统研究,可以为基于涡旋态的自旋纳米振荡器的设计以及应用提供必要的理论基础及设计思路。
【关键词】：畴壁 涡旋态 自旋转移矩 微磁学模拟
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O469
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-10
• 第一章 绪论10-26
• 1.1 新磁学的研究内容和发展趋势10-11
• 1.2 磁电阻效应11-14
• 1.2.1 巨磁阻效应(Giant Magnetoresistance,GMR)11-13
• 1.2.2 隧穿磁阻效应(Tunnelling Magnetoresistance,TMR)13-14
• 1.3 自旋转移矩(Spin Transfer Torque,STT)14-17
• 1.4 赛道存储器(Racetrack Memory)17-18
• 1.5 自旋矩纳米振荡器(Spin-torque Nano-oscillators,STNOs)18-20
• 1.6 本论文的主要内容20-21
• 参考文献21-26
• 第二章 微磁学基础26-40
• 2.1 微磁学连续介质理论26-33
• 2.1.1 交换能27
• 2.1.2 磁晶各向异性能27-29
• 2.1.3 静磁能29-30
• 2.1.4 静态Brown方程30
• 2.1.5 动态LLG方程30-33
• 2.2 数值微磁学33-34
• 2.2.1 有限差分方法(Finite Difference Method,FDM)34
• 2.2.2 有限元方法(Finite Element Method,FEM)34
• 2.3 常用微磁学软件介绍34-37
• 参考文献37-40
• 第三章 180°畴壁移动40-72
• 3.1 纳米带—纳米栅系统中电流驱动畴壁移动43-51
• 3.1.1 研究体系及建模43-44
• 3.1.2 结果与讨论44-51
• 3.1.3 小结51
• 3.2 纳米带横截面形状对畴壁移动的影响51-58
• 3.2.1 模型设计及微磁学方法52-53
• 3.2.2 结果与讨论53-57
• 3.2.3 小结与展望57-58
• 3.3 Dzyaloshinskii-Moriya相互作用对畴壁运动的影响58-66
• 3.3.1 微磁学模型的建立59
• 3.3.2 结果与讨论59-65
• 3.3.3 小结65-66
• 3.4 结论66-67
• 参考文献67-72
• 第四章 电流驱动360°畴壁移动72-80
• 4.1 模型建立与微磁学方法72-73
• 4.2 结果与讨论73-78
• 4.3 结论与展望78-79
• 参考文献79-80
• 第五章 涡旋态之间的相位锁定研究80-106
• 5.1 偶极耦合的两涡旋态之间的相位锁定82-89
• 5.1.1 模型建立及微磁学方法82-83
• 5.1.2 结果与讨论83-89
• 5.1.3 小结与展望89
• 5.2 连接桥耦合的两涡旋态之间的相位锁定89-100
• 5.2.1 微磁学模型的建立90-91
• 5.2.2 结果与讨论91-100
• 5.2.3 小结100
• 5.3 结论100-102
• 参考文献102-106
• 第六章 自旋转移矩激发磁孤子的动态过程研究106-120
• 6.1 微磁学模型107-108
• 6.2 结果与讨论108-115
• 6.2.1 无DMI情况下磁孤子的激发108-112
• 6.2.2 DMI对磁孤子形核类型及动力学过程的影响112-115
• 6.3 总结与工作展望115-117
• 参考文献117-120
• 第七章 结论和工作展望120-123
• 7.1 本论文得到的主要结论120-122
• 7.1.1 关于180°畴壁运动的研究120-121
• 7.1.2 关于360°畴壁运动的研究121
• 7.1.3 相互耦合的涡旋态的锁相121-122
• 7.1.4 不同类型磁孤子的激发及动态过程研究122
• 7.2 工作展望122-123
• 在学期间的研究成果123-126
• 致谢126-127

【参考文献】

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1 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

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本文编号：640141