磁隧道结的垂直磁各向异性及界面磁电特性研究

发布时间：2018-07-03 05:24

  本文选题：磁隧道结 + 垂直磁各向异性　； 参考：《华中科技大学》2016年博士论文

【摘要】：自旋力矩转移磁随机存储器(Spin-Torque-Transfer Magnetic Random Access Memory, STT-MRAM)具有高速、非易失性和存储寿命长等特点,是一种高速读写、低功耗的新型存储技术。随着硬件对存储器性能的要求越来越高,STT-MRAM在大容量和超低功耗存储芯片的应用依然面临着挑战。磁隧道结(magnetic tunnel junctions, MTJs)是STT-MRAM的基本存储单元,直接决定了其存储性能。进一步提高存储密度、降低磁隧道结的功耗和增强隧道磁阻效应是磁隧道结器件研究亟待解决的难题。提高存储密度需要减小器件尺寸的同时提高MTJ磁性材料的热稳定性,即增强磁各向异性；降低功耗最有效的途径之一是研究如何更有效地利用电场调控磁各向异性,实现电场辅助写入；增强隧道磁阻变化率则需深入探究器件界面及材料对自旋输运特性的影响。随着磁隧道结尺寸的缩小,无论磁各向异性还是各种磁电效应(电场对磁各向异性的调控、隧道磁阻效应等)都愈发与膜层界面息息相关。于是,本文重点针对MgO隧穿层的MTJ膜层界面,从理论以及实验方面研究了强垂直磁各向异性的MTJ材料及其界面特性,系统地分析了MTJ膜层界面处电场对磁各向异性的调控作用,研究了界面结构对隧道磁阻效应的影响。本文的研究内容可概括为三个部分：(1)在强垂直磁各向异性MTJ材料研究方面,重点针对FePt薄膜材料的界面结构和磁特性进行了研究。为满足CMOS工艺的需求,研究了快速退火工艺下Ag/FePt膜层结构中FePt的有序化转变,结果表明Ag层能促进L10-FePt快速有序化并提高垂直矫顽场;提出了一种CoFe/A1-FePt的新型强垂直磁各向异性膜层结构,以兼顾MgO-MTJ器件对隧道磁阻变化率和退火工艺的要求,结合实验和理论计算,证实了其垂直磁各向异性的起源于界面非对称与应力,并发现界面应力可有效控制磁各向异性强弱。(2)在电场辅助写入方面,主要研究了MgO磁隧道结界面结构对电场调控磁各向异性的影响。基于第一性原理计算,首先分析了理想、过氧和缺氧三种状态下不同Fe/MgO界面结构的稳定性,随后对比了理想、过氧和缺氧三种界面态下电场对磁各向异性的调控作用,结果表明MgO界面氧化状态对这种电致磁电效应有极大的影响：为获得更强的电场调控效应,研究了电场对Fe/非磁金属(Ta、Pt和Au)界面磁各向异性的调控,证实了电场同样对金属-金属界面磁各向异性具有极强的调控作用,可主导磁隧道结中的磁电效应：最后分析了磁隧道结膜层结构中压应力对电场可控磁各向异性的影响,结果表明膜层应力也能决定电场调控磁各向异性的强弱。(3)为研究器件界面结构及材料对隧道磁阻效应的影响,本文基于非平衡格林函数计算分析了MgO-MTJ的自旋输运性质。结合器件自旋透射谱和界面局域态密度,重点研究了不同MgO界面氧化状态及不同MgO/二元铁磁合金界面的MgO-MTJ器件的自旋输运性质,结果表明磁隧道结界面结构能极大地影响隧道磁阻效应,合理调控MgO薄膜界面状态和铁磁合金界面结构对提高隧道磁阻变化率至关重要。
[Abstract]:Spin - Torque - Transfer Magnetic Random Access Memory ( STT - MRAM ) is a new type of storage technology with high speed , non - volatile memory and long storage life .
One of the most effective ways to reduce power consumption is to study how to use electric field to regulate magnetic anisotropy more effectively and to realize auxiliary writing of electric field .
In this paper , the influence of the interface structure of MgO - MTJ device on the magnetic anisotropy of tunnel magnetoresistance is studied .
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP333

【相似文献】

相关期刊论文 前4条

1 文西芹,宁晓明;磁各向异性应力检测及其模型研究[J];连云港化工高等专科学校学报;2002年01期

2 但旭,黄致新,李佐宜;TbCo非晶垂直磁化膜的磁各向异性来源研究[J];信息记录材料;2004年02期

3 ;技术新闻[J];微电脑世界;2007年12期

4 ;[J];;年期

相关会议论文 前7条

1 樊博;曾飞;李晓伟;吕方;潘峰;;从表面形貌分析磁性非晶薄膜磁各向异性[A];中国真空学会2008年学术年会论文摘要集[C];2008年

2 谢大吉;冯升波;王增梅;徐明灿;;磁各向异性探头法检测残余应力的一种新模型[A];第六届全国结构工程学术会议论文集（第二卷）[C];1997年

3 崔彬;宋成;潘峰;;CoFeB基异质结中界面对磁各向异性的影响[A];中国真空学会2012学术年会论文摘要集[C];2012年

4 彭斌;张万里;汤如俊;蒋洪川;兰中文;;应力生长FeCoSiB非晶薄膜的磁各向异性研究[A];第六届中国功能材料及其应用学术会议论文集（3）[C];2007年

5 侯碧辉;王雅丽;孙桂芳;刘国庆;王吉有;;CdGd(WO_4)_(4-δ)单晶的顺磁各向异性[A];第十二届全国磁学和磁性材料会议专辑[C];2005年

6 邓加军;王玮竹;鲁军;赵建华;;(Ga，，Mn)As平面内磁各向异性研究[A];第十六届全国半导体物理学术会议论文摘要集[C];2007年

7 王磊;岳明;刘卫强;张东涛;张久兴;;Nd_2Fe_(14)B/α-Fe双相复合纳米晶快淬薄带的晶体织构和磁各向异性[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集（第3分册）[C];2010年

相关博士学位论文 前9条

1 肖伊立;垂直磁各向异性多层膜结构中的磁耦合现象研究[D];复旦大学;2014年

2 陈喜;界面电子结构对纳米多层膜磁性的影响研究[D];北京科技大学;2015年

3 曹易;基于温控的磁性功能薄膜材料研究[D];北京科技大学;2017年

4 关夏威;磁隧道结的垂直磁各向异性及界面磁电特性研究[D];华中科技大学;2016年

5 陈宫;磁性超薄膜中的磁各向异性和磁畴结构[D];复旦大学;2011年

6 黄致新;SmTbCo系光磁混合记录薄膜结构与特性研究[D];华中科技大学;2004年

7 邸永江;玻璃包覆合金微丝制备及其静磁和微波物性研究[D];华中科技大学;2007年

8 胡学让;L1_0-FePt的结构和性能研究[D];清华大学;2009年

9 陈磊;钴（Ⅱ）和锰（Ⅲ）单离子磁体的研究[D];南京大学;2015年

相关硕士学位论文 前10条

1 陈巨;沉积型CoPt二元合金团簇的磁性与磁各向异性的第一性原理研究[D];西南大学;2015年

2 郭韦;磁性纳米结构的仿真、制备及磁性能研究[D];电子科技大学;2014年

3 刘鹏飞;多层金属膜磁各向异性调控及原子尺度动力学研究[D];兰州大学;2016年

4 刘海全;垂直磁各向异性隧道结的铁磁共振及其振荡和翻转机理的研究[D];内蒙古大学;2016年

5 张双兰;柔性磁性薄膜的磁各向异性及其高频性质的研究[D];中国科学院宁波材料技术与工程研究所;2016年

6 曹文娜;单晶薄膜磁各向异性的输运测量[D];复旦大学;2011年

7 刘临利;CoPt垂直磁各向异性薄膜制备及性能研究[D];华中科技大学;2013年

8 韩娜;增强Co_(90)Fe_(10)/Pd薄膜结构中垂直磁各向异性的研究[D];天津师范大学;2012年

9 王毅超;磁控溅射NdCo、NdFeCo薄膜的微结构与垂直磁各向异性[D];安徽工业大学;2013年

10 孙桂芳;钨酸钆镉单晶的结构和磁性研究[D];北京工业大学;2005年

本文编号：2092560