零偏置場自旋轉(zhuǎn)矩納米振蕩器的動態(tài)特性研究.pdf

1、自旋轉(zhuǎn)移矩效應(yīng)提供了一種無需外加磁場、僅依靠電流來調(diào)控磁性薄膜磁化方向的新方法，可以應(yīng)用在磁性隨機(jī)存儲器、高頻微波振蕩器-自旋轉(zhuǎn)矩納米振蕩器等微納器件。特別是，自旋轉(zhuǎn)矩納米振蕩器具有結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、振蕩頻率高等優(yōu)點，因而在高密度微波信號處理、無線通信、微波輔助磁記錄、高速磁頭傳感器等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但是，在其實際應(yīng)用中，還有一些關(guān)鍵問題尚未解決。例如工作條件優(yōu)化，外加磁場的消除，振蕩器輸出功率的提高。為了提高其輸出功率，實驗上

2、制備了一種自由層磁矩垂直于面內(nèi)，固定層磁矩沿著面內(nèi)的自旋納米振蕩器，如果考慮到阻抗匹配，最大輸出功率在微瓦量級，基本滿足實際應(yīng)用。但不幸的是需要一個外加磁場的作用。
　　本論文將基于Landau-Lifshitz-Gilbert-Slonczewski(LLGS)方程，理論上研究了由磁矩垂直于膜面的自由層和磁矩平行于膜面的固定層組成的自旋轉(zhuǎn)矩振蕩器的振蕩特性。重點研究了二階垂直各向異性、類場自旋轉(zhuǎn)移矩、面內(nèi)形狀各向異性對其振蕩特性

3、的影響。研究的結(jié)果如下:
　　1.研究了由磁面矩垂直于膜的自由層和磁矩平行于膜面的固定層組成的自旋轉(zhuǎn)矩納米振蕩器的振蕩特性。根據(jù)能量平衡原理，即振蕩器由自旋轉(zhuǎn)移矩提供的能量和阻尼消耗的能量相等，推導(dǎo)出振蕩器振蕩的閾值電流、振蕩頻率的解析表達(dá)式。它們分別與自由層的界面各向異性場、飽和磁化強(qiáng)度、提供的外加磁場、極化率參數(shù)有關(guān)。并證實此振蕩器需提供一個垂直于膜面的磁場才能工作。隨后利用LLGS方程數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬和解析分析的結(jié)果吻

4、合。
　　2.考慮了自由層二階垂直各向異性對振蕩器的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)自由層材料具有一定大小的二階各向異性可以使振蕩器在無外加磁場情形下產(chǎn)生振蕩。此特性可以用能量平衡方程解釋，即二階垂直各向異性的存在可以導(dǎo)致系統(tǒng)中自旋轉(zhuǎn)移矩提供的能量與阻尼消耗的能量之間的平衡。并根據(jù)能量平衡原理推導(dǎo)出振蕩器在零場振蕩器的閾值電流、截止電流、以及頻率隨電流變化的表達(dá)式。隨后利用LLGS方程進(jìn)行了數(shù)值驗證。發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬和解析分析的結(jié)果吻。
　　3.考

5、慮了類場自旋轉(zhuǎn)移矩對振蕩器振蕩特性的影響。發(fā)現(xiàn)類場自旋轉(zhuǎn)移矩在系統(tǒng)能量平衡中起到重要的作用，可以導(dǎo)致沒有外加磁場時系統(tǒng)中自旋轉(zhuǎn)移矩提供的能量與阻尼消耗能量之間的平衡。接著根據(jù)LLGS方程研究了不同大小類場自旋轉(zhuǎn)移矩效應(yīng)對零場振蕩特性的影響。
　　4.當(dāng)磁隧道結(jié)的形狀為橢圓時，引入面內(nèi)形狀各向異性，它可以使振蕩器在無外加磁場情形下產(chǎn)生振蕩。特別是，面內(nèi)不同形狀的各向異性能對自旋轉(zhuǎn)矩振蕩器振蕩特性具有重要的影響。例如，當(dāng)橢圓長軸和短軸