鐵磁薄膜圖形化單元磁特性的微磁學研究.pdf

1、微磁學模擬為人們在納米/微米尺度范圍內研究鐵磁材料的磁化、反磁化及相關磁特性提供了重要的方法和手段，在鐵磁薄膜研究特別是在圖形化鐵磁薄膜及其微磁器件(磁記錄、磁傳感)和現(xiàn)在正興起的磁電子學及應用研究方面得到了廣泛的應用。近十年來，隨著薄膜材料制備與加工技術的進步，制備精度達到納米級的圖形化鐵磁薄膜單元與器件已成為可能。在這種尺寸范圍內，圖形化鐵磁薄膜單元的幾何尺寸和在加工與制備過程中產(chǎn)生的應力將對其磁性能產(chǎn)生重要的影響，也是相應微磁器件

2、設計和研制的關鍵參數(shù)之一。因此，開展圖形化鐵磁薄膜單元的微磁學模擬研究，對于弄清單元中磁化與反磁化的微觀過程具有重要理論意義和應用價值。 本論文正是針對上述背景，選擇NiFe、FeCoSiB等典型鐵磁薄膜材料為研究對象，以圖形化鐵磁薄膜單元磁化、反磁化過程中磁矩分布與轉變規(guī)律為研究目標，根據(jù)微磁學基本原理分析了數(shù)值微磁學計算方法與計算過程；應用OOMMF微磁學軟件，在建立鐵磁薄膜單元物理模型的基礎上，研究了磁性隨機存儲器(MRA

3、M)圖形化存儲單元的微磁學設計、應力與磁矩的相互作用及圖形化單元的動態(tài)響應特性等。本論文主要包含以下內容： 1．扼要介紹了微磁學基本原理，建立了有限差分形式下磁各向異性能、鐵磁交換能、靜磁能、磁勢能和磁彈性能和有效場的表達式，分析了共軛梯度法求解多元函數(shù)最小值的基本思想以及用歐拉法求解Landau—Lifshitz—Gilbert(LLG)方程的基本過程，為正確建立鐵磁單元物理模型，分析和討論計算結果奠定了基礎。 2．通

4、過與矩形NiFe薄膜單元的對比，發(fā)現(xiàn)菱形NiFe薄膜單元形狀有獨特的磁化反轉特性，具有成為優(yōu)良磁記錄單元的巨大潛力；同時，基于優(yōu)化的菱形NiFe薄膜單元，模擬并分析了字/位線寬度、厚度以及字/位線與磁存儲單元之間的距離對菱形單元反磁化狀態(tài)的影響規(guī)律。研究表明：菱形NiFe單元臨界短軸長度為100nm，且其易軸方向沿其長軸方向；當菱形單元的長寬比小于2.4時，其反轉場隨長寬比的增大而增大，反之單元的反轉場幾乎不隨長寬比變化而變化；釘扎層反

5、轉場最小時對應的字線厚度為70nm，最大時對應的字線厚度為50nm，且字/位線到存儲單元的距離對單元反轉過程和單元磁阻效應的影響最大。研究結果可為MRAM的設計和研制提供新思路。 3．提出將應力和磁晶各向異性等效為一個單軸磁各向異性等效場，來研究應力對磁矩作用的方法，建立了應力作用下的等效模型，求解出等效各向異性大小和方向的表達式。利用這一模型，研究了應力對亞微米尺寸FeCoSiB圖形化單元磁化與反磁化特征的影響規(guī)律。研究表明：

6、大的單元尺寸有利于提高應力對剩磁影響的敏感度，最高可達0.9％/MPa，但隨應力的增加趨于飽和；對于長度較小的單元，矯頑力對應力敏感性為40mT/GPa，而在寬度較窄的單元達到80mT/GPa，且線性增加；選擇合適的單元尺寸，在無外磁場的情況下，通過應力的作用可以顯著地改變磁性單元的磁化狀態(tài)。研究結果為圖形化單元的剩磁、矯頑力和磁化狀態(tài)的人工調控，設計和研制新型微磁器件提供了新途徑。 4．論文研究了在x和z方向的短脈沖磁場作用下