零偏置场自旋转矩纳米振荡器动态特性的研究

发布时间：2017-05-17 18:07

  本文关键词：零偏置场自旋转矩纳米振荡器动态特性的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：自旋转移矩效应提供了一种无需外加磁场、仅依靠电流来调控磁性薄膜磁化方向的新方法,可以应用在磁性随机存储器、高频微波振荡器-自旋转矩纳米振荡器等微纳器件。特别是,自旋转矩纳米振荡器具有结构简单、尺寸小、振荡频率高等优点,因而在高密度微波信号处理、无线通信、微波辅助磁记录、高速磁头传感器等领域具有广阔的应用前景。但是,在其实际应用中,还有一些关键问题尚未解决。例如工作条件优化,外加磁场的消除,振荡器输出功率的提高。为了提高其输出功率,实验上制备了一种自由层磁矩垂直于面内,固定层磁矩沿着面内的自旋纳米振荡器,如果考虑到阻抗匹配,最大输出功率在微瓦量级,基本满足实际应用。但不幸的是需要一个外加磁场的作用。本论文将基于Landau-Lifshitz-Gilbert-Slonczewski(LLGS)方程,理论上研究了由磁矩垂直于膜面的自由层和磁矩平行于膜面的固定层组成的自旋转矩振荡器的振荡特性。重点研究了二阶垂直各向异性、类场自旋转移矩、面内形状各向异性对其振荡特性的影响。研究的结果如下:1.研究了由磁矩垂直于膜面的自由层和磁矩平行于膜面的固定层组成的自旋转矩纳米振荡器的振荡特性。根据能量平衡原理,即振荡器由自旋转移矩提供的能量和阻尼消耗的能量相等,推导出振荡器振荡的阈值电流、振荡频率的解析表达式。它们分别与自由层的界面各向异性场、饱和磁化强度、提供的外加磁场、极化率参数有关。并证实此振荡器需提供一个垂直于膜面的磁场才能工作。随后利用LLGS方程数值模拟,发现数值模拟和解析分析的结果吻合。2.考虑了自由层二阶垂直各向异性对振荡器的影响,发现当自由层材料具有一定大小的二阶各向异性可以使振荡器在无外加磁场情形下产生振荡。此特性可以用能量平衡方程解释,即二阶垂直各向异性的存在可以导致系统中自旋转移矩提供的能量与阻尼消耗的能量之间的平衡。并根据能量平衡原理推导出振荡器在零场振荡器的阈值电流、截止电流、以及频率随电流变化的表达式。随后利用LLGS方程进行了数值验证。发现数值模拟和解析分析的结果吻合。3.考虑了类场自旋转移矩对振荡器振荡特性的影响。发现类场自旋转移矩在系统能量平衡中起到重要的作用,可以导致没有外加磁场时系统中自旋转移矩提供的能量与阻尼消耗能量之间的平衡。接着根据LLGS方程研究了不同大小类场自旋转移矩效应对零场振荡特性的影响。4.当磁隧道结的形状为椭圆时,引入面内形状各向异性,它可以使振荡器在无外加磁场情形下产生振荡。特别是,面内不同形状的各向异性能对自旋转矩振荡器振荡特性具有重要的影响。例如,当椭圆长轴和短轴之比增大时,面内的形状各向异性能将增大,此时,虽然振荡器的阈值电流基本保持不变,但其电流可操控范围将增大,并且在相同电流下其产生微波信号的频率也将增大。因此,可以通过改变自旋转矩振荡器膜面的形状调节其振荡特性。此外,结合能量平衡方程,在理论上证明了引入面内形状各向异性能对振荡器实现零场振荡的必要性。并推导出振荡器振荡的阈值电流、截止电流的表达式。
【关键词】：自旋转移矩 垂直磁化强度的自由层 自旋转矩纳米振荡器 零偏置场振荡 微磁学模拟
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN752
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-30
• 1.1 自旋电子学的发展概况10-11
• 1.2 巨磁电阻效应11-13
• 1.3 隧穿磁电阻效应13-15
• 1.4 自旋转移矩效应15-18
• 1.4.1 自旋转移矩效应的理论预测15-17
• 1.4.2 自旋转移矩效应的实验验证17
• 1.4.3 自旋转移矩驱动的磁矩翻转和进动17-18
• 1.5 自旋转移磁随机存储器 (STT-MRAM)18-21
• 1.5.1 传统的磁性随机存储器19-20
• 1.5.2 自旋转移矩磁性随机存储器20-21
• 1.6 自旋转矩振荡器 (STO)21-27
• 1.6.1 自旋转矩振荡器的工作原理22
• 1.6.2 自旋转矩振荡器的研究现状与趋势22-26
• 1.6.3 自旋转矩振荡器的应用前景26-27
• 1.7 本论文的主要研究工作及章节安排27-30
• 第二章 磁矩进动的动态方程及宏自旋模型30-38
• 2.1 铁磁性材料中的磁矩矢量运动30-32
• 2.1.1 无阻尼作用下，磁化强度的动力学方程30-31
• 2.1.2 有阻尼作用下，磁化强度的动力学方程31
• 2.1.3 Landau-Lifshitz-Gilbert-Slonczewski方程31-32
• 2.2 宏自旋模型32-33
• 2.3 自由层有效场33-35
• 2.4 四阶龙格库塔法数值求解35-37
• 2.5 本章小结37-38
• 第三章 垂直各向异性CoFeB/Mg O/CoFeB磁性隧道结38-50
• 3.1 界面垂直各向异性对静态磁矩分布的影响39-41
• 3.2 平面型磁隧道结中界面垂直各向异性对磁矩翻转的影响41-44
• 3.3 垂直型磁隧道结中界面垂直各向异性对磁矩翻转的影响44-48
• 3.4 本章小结48-50
• 第四章 自由层磁矩垂直于膜面的自旋转矩振荡器的振荡特性50-66
• 4.1 理论模型51-53
• 4.2 解析形式分析53-56
• 4.3 微磁模拟56-64
• 4.3.1 电流的影响57-59
• 4.3.2 外加磁场的影响59-62
• 4.3.3 材料参数的影响62-64
• 4.4 本章小结64-66
• 第五章 零偏置场自旋转矩纳米振荡器66-92
• 5.1 方案一——二阶各向异性实现自旋转矩振荡器零场振荡66-74
• 5.1.1 理论分析67-70
• 5.1.2 数值模拟70-74
• 5.1.3 小结74
• 5.2 方案二——类场自旋转移矩实现自旋转矩振荡器零场振荡74-82
• 5.2.1 理论分析76-78
• 5.2.2 数值模拟78-82
• 5.2.3 小结82
• 5.3 方案三——面内形状各向异性能实现自旋转矩振荡器零场振荡82-90
• 5.3.1 理论分析84-87
• 5.3.2 数值模拟87-90
• 5.3.3 小结90
• 5.4 本章小结90-92
• 第六章 全文总结与展望92-94
• 6.1 主要研究内容和结论92-93
• 6.2 研究展望93-94
• 参考文献94-104
• 图索引104-108
• 表索引108-110
• 致谢110-112
• 攻读博士学位期间已发表和录用的学术论文112-114
• 攻读学位期间参与的科研项目114

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前8条

1 章从福;;自旋波研究的突破[J];半导体信息;2006年06期

2 关玉琴;萨茹拉;赵春旺;;体各向异性场对界面自旋波存在条件的影响[J];固体电子学研究与进展;2009年01期

3 胡九宁;陈培毅;张磊;任敏;董浩;邓宁;;纳米尺寸自旋阀中电流驱动的自旋波发射[J];微纳电子技术;2008年10期

4 ;自旋波研究的突破[J];集成电路应用;2006年09期

5 董浩;陈培毅;邓宁;;对称磁多层结构纳米自旋传输矩微波振荡器[J];微纳电子技术;2010年01期

6 ;中国科学家首次研究实现高效长寿量子存储[J];广西科学院学报;2012年02期

7 张鹏翔;刘玉龙;徐孝贞;杨先春;;磁性石榴石单晶的Raman光谱和一个新模式[J];应用激光;1985年02期

8 ;[J];;年期

中国重要会议论文全文数据库 前4条

1 王选章;;长波长自旋波的涡流阻尼效应[A];面向21世纪的科技进步与社会经济发展（上册）[C];1999年

2 李岩;王怀玉;任荣东;;横场下反铁磁耦合薄膜的自旋波[A];第五届中国功能材料及其应用学术会议论文集Ⅰ[C];2004年

3 邢定钰;;自旋输运和巨磁电阻——自旋电子学的物理基础之一[A];中国高等科学技术中心论文集[C];2004年

4 张鹏翔;刘玉龙;徐孝贞;杨先春;;替代的铁石榴石单晶的喇曼散射谱[A];第二届全国光散射学术会议论文集（下）[C];1983年

中国重要报纸全文数据库 前1条

1 记者 刘霞;实验证实：磁纳米接触可使自旋波“繁殖”[N];科技日报;2011年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 芮俊;冷原子自旋波相干操控及玻色费米简并混合气制备[D];中国科学技术大学;2015年

2 张延磊;基于腔量子电动力学的光机械系统与自旋压缩研究[D];中国科学技术大学;2015年

3 金立川;磁性异质结的自旋输运及自旋动力学调控研究[D];电子科技大学;2014年

4 郭园园;零偏置场自旋转矩纳米振荡器动态特性的研究[D];太原理工大学;2015年

5 唐国栋;钴基氧化物材料的自旋熵及热电性能研究[D];南京大学;2011年

6 黄元杰;钒、钛基尖晶石中的轨道、自旋和晶格的耦合[D];中国科学技术大学;2012年

7 李秋菊;自旋液体材料的低温热传导[D];中国科学技术大学;2013年

8 李再东;一维自旋链及光格子中旋量玻色—爱因斯坦凝聚的非线性动力学[D];山西大学;2005年

9 明星;自旋自由度对关联电子体系材料物理性质的影响：第一性原理研究[D];吉林大学;2009年

10 雷雨;自旋哈密顿量的微观解释—“伪自旋”波函数方法[D];电子科技大学;2010年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 赵小兵;单层铁磁金属薄膜中的自旋整流效应研究[D];兰州大学;2015年

2 贾宁;低维自旋阻挫体系磁化过程中的微观状态变化模拟研究[D];东北大学;2014年

3 饶金威;铁镍合金薄膜中的自旋驻波研究[D];兰州大学;2015年

4 李恒甫;横向磁场中自旋波激发的微观机制[D];华中科技大学;2007年

5 赵新军;Z型自旋梯子模型的自旋波与比热[D];新疆大学;2007年

6 彭丽君;一维非均匀磁性体系的自旋波理论研究[D];广州大学;2008年

7 孔德欣;自旋链中的量子信息传输[D];中国科学技术大学;2009年

8 彭霞;简立方双层铁磁性薄膜中自旋波的研究[D];内蒙古大学;2010年

9 关玉琴;体各向异性场和自旋链长度对界面自旋波存在条件的影响[D];内蒙古大学;2004年

10 梁明明;二维反铁磁海森堡模型的有限温度自旋波理论[D];烟台大学;2010年

  本文关键词：零偏置场自旋转矩纳米振荡器动态特性的研究，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：374112