基于磁渦旋的自旋納米振蕩器的微磁學(xué)模擬.pdf

1、自科學(xué)家Albert Fert和Peter Grunberg發(fā)現(xiàn)巨磁阻效應(yīng)(GMR)之后，以自旋極化電子輸運(yùn)以及相關(guān)元件開發(fā)為基礎(chǔ)的自旋電子學(xué)得以形成，且磁性傳感器和數(shù)據(jù)存儲等技術(shù)也得到了迅速發(fā)展。隨后，理論預(yù)言的自旋轉(zhuǎn)移矩(spin transfer torque。STT)效應(yīng)在實(shí)驗(yàn)上的實(shí)現(xiàn)，被認(rèn)為是繼GMR效應(yīng)后的另一里程碑式的重大發(fā)現(xiàn)。具體來說，當(dāng)自旋極化電流通過磁性多層膜時(shí)，其極化電子所帶的角動(dòng)量轉(zhuǎn)移給磁性層的局域磁矩，進(jìn)而對局

2、域磁矩產(chǎn)生一個(gè) STT力矩作用。在自旋閥或隧道結(jié)結(jié)構(gòu)中，STT可以激發(fā)磁性層局域磁矩發(fā)生不同的動(dòng)力學(xué)過程，例如磁疇移動(dòng)，磁矩的翻轉(zhuǎn)或穩(wěn)定進(jìn)動(dòng)等，從而可以應(yīng)用在微波發(fā)生器,磁性傳感器及賽道存儲器等器件上。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴坡莫合金自由層中渦旋態(tài)與Dzyaloshinskii-Moriya相互作用參數(shù)D的關(guān)系。當(dāng)D達(dá)到臨界值Dthre時(shí)，磁化狀態(tài)從磁渦旋態(tài)變?yōu)槁菪蔚臈l紋態(tài)。當(dāng)|D|>Dthre時(shí)，磁化狀態(tài)是一個(gè)條紋態(tài)。對于

3、|D|0時(shí)，磁渦旋核的尺寸隨D值的增大而變大；相反，D<0情況的磁渦旋核的尺寸則變小。⑵當(dāng)D=3mJ/m2時(shí)，隨著電流密度的增加，磁渦旋核的進(jìn)動(dòng)頻率大約是D=0情況的3倍，其可承受的電流密度和所加電流范圍也會(huì)更大，以及當(dāng)納米盤尺寸R=50nm時(shí)微波線寬變窄。⑶對于D=3mJ/m2，圓盤尺寸R越小，則其進(jìn)動(dòng)頻率越高且可調(diào)的頻率范圍和所加電流密度也更大。⑷在無雜質(zhì)的納米盤中，渦旋核的進(jìn)動(dòng)半徑和

4、進(jìn)動(dòng)頻率隨電流密度的增加而增加。⑸當(dāng)環(huán)狀雜質(zhì)是吸引勢時(shí)，渦旋核可穿過環(huán)，并且雜質(zhì)環(huán)的內(nèi)半徑對進(jìn)動(dòng)半徑和進(jìn)動(dòng)頻率有調(diào)控作用，其頻率調(diào)控范圍約為70MHz。⑹當(dāng)環(huán)狀雜質(zhì)為排斥勢時(shí)，對于無垂直各向異性的環(huán)，渦旋核可穿過環(huán)，雜質(zhì)環(huán)的內(nèi)半徑，環(huán)寬和環(huán)的交換常數(shù)及飽和磁化強(qiáng)度對其進(jìn)動(dòng)半徑和進(jìn)動(dòng)頻率都有調(diào)控作用，且頻率最大調(diào)節(jié)范圍約為640MHz。對于有垂直各向異性的環(huán)，環(huán)寬較小時(shí)渦旋核可穿過環(huán)，環(huán)寬較大時(shí)渦旋核在環(huán)內(nèi)半徑邊界處極性翻轉(zhuǎn)。環(huán)的內(nèi)半徑和

5、交換常數(shù)對頻率有一個(gè)大的調(diào)控，而環(huán)寬和垂直各向異性常數(shù)對其有一個(gè)微調(diào)。⑺基于GPU加速的MuMax3軟件模擬了納米盤中的空點(diǎn)對磁渦旋核動(dòng)力學(xué)過程的影響。當(dāng)空點(diǎn)離盤幾何中心的距離r變化時(shí)，渦旋核進(jìn)動(dòng)出現(xiàn)不同的情況。首先，當(dāng)r=25 nm時(shí)的渦旋核被空點(diǎn)釘扎住。其次，r在35 nm到75 nm的范圍內(nèi)時(shí)，渦旋核能周期性振蕩所需的時(shí)間卻隨著r的增加而逐漸增加，且進(jìn)動(dòng)頻率可在約10 MHz范圍內(nèi)微調(diào)，而且當(dāng)r=35 nm時(shí)，隨納米盤尺寸的增加進(jìn)