垂直磁隧道結(jié)中磁化動(dòng)態(tài)特性的研究.pdf

1、隨著科技的發(fā)展和大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，信息已經(jīng)成為人們正常生活中不可分割的一部分。大數(shù)據(jù)的記錄使得小器件、大容量的存儲(chǔ)器件成為大眾所追求的目標(biāo)。因此，改善和提高存儲(chǔ)器件的密度具有十分重要的意義。由于垂直結(jié)構(gòu)的自旋轉(zhuǎn)移矩磁阻式隨機(jī)存儲(chǔ)器（STT-MRAM）具有非易失性和高速無(wú)限寫(xiě)入循環(huán)等優(yōu)勢(shì)，而被研究人員認(rèn)為將會(huì)成為主流的通用存儲(chǔ)器。
　　在磁性納米結(jié)構(gòu)內(nèi)，磁矩翻轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)特性是反映存儲(chǔ)器件性能的直接指標(biāo)，該特性的研究對(duì)磁存儲(chǔ)以及自旋電子

2、學(xué)都具有十分重要的意義。然而，由于以往使用面內(nèi)磁結(jié)構(gòu)，為了達(dá)到降低電流密度的目的，所制作的磁存儲(chǔ)器件截面積較大，因此通常在使用宏自旋模型對(duì)STT-MRAM的分析中采用簡(jiǎn)化的退磁因子，即只考慮垂直方向退磁因子影響（或是假定截面積無(wú)窮大）。但是在垂直磁結(jié)構(gòu)中，翻轉(zhuǎn)電流密度較小，在不失熱穩(wěn)定的前提下可以進(jìn)一步減小其截面積，這種情況下如不考慮橫截面積的影響就可能帶來(lái)較大誤差。同時(shí)，之前的研究表明，通過(guò)改變自由層或極化層的厚度，如改變CoFeB薄

3、膜或者Co/Pd多層膜的厚度，可以使磁矩產(chǎn)生一個(gè)小的傾角，但在尺寸有限的情況下該傾角的大小對(duì)磁矩翻轉(zhuǎn)的影響尚不明確。為此，本文圍繞磁矩翻轉(zhuǎn)的動(dòng)態(tài)特性作了如下工作:
　　1.介紹了磁存儲(chǔ)的意義、發(fā)展歷程、當(dāng)前現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展方向。
　　2.介紹了退磁場(chǎng)及退磁能，并采用磁偶極子相互作用的觀點(diǎn)對(duì)退磁場(chǎng)進(jìn)行了詳細(xì)的推導(dǎo)計(jì)算，同時(shí)對(duì)橢球體與矩形結(jié)構(gòu)中各分量退磁因子作了歸納總結(jié)。
　　3.深刻闡述了宏自旋模型的處理方法，并列出了其優(yōu)

4、缺點(diǎn)。尤其通過(guò)數(shù)值模擬的方法，著重對(duì)自旋轉(zhuǎn)移矩(STT)效應(yīng)的工作機(jī)理及作用效果進(jìn)行了說(shuō)明。
　　4.在基于LLG方程的宏自旋(Macrospin)模型中，引入平面內(nèi)的退磁因子分量，重點(diǎn)研究了垂直磁各向異性(Perpendicular Magnetic Anisotropy，PMA)鐵磁材料的磁隧道結(jié)(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)中自由層磁矩翻轉(zhuǎn)時(shí)間及閾值電流隨釘扎層磁矩傾角的變化。研究結(jié)果表明，小的

5、釘扎層磁矩傾角可以大幅改善磁矩的翻轉(zhuǎn)時(shí)間與閾值電流密度。
　　5.具體討論了宏自旋(Macrospin)模型中器件形狀對(duì)磁矩翻轉(zhuǎn)特性的影響，給出了自由層磁矩翻轉(zhuǎn)時(shí)間與閾值電流密度隨自由層長(zhǎng)度、厚度變化的特征。同時(shí)也分析了自由層磁矩傾角對(duì)磁矩翻轉(zhuǎn)時(shí)間及閾值電流密度的影響，并與釘扎層磁矩傾角產(chǎn)生的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，在垂直結(jié)構(gòu)中，小的磁矩傾角及合適長(zhǎng)厚比可以大幅度的縮短磁矩翻轉(zhuǎn)時(shí)間及減小所需閾值電流。另外，與傳統(tǒng)的算法相比，相同