超高密度信息載體磁性Skyrmions的微磁學(xué)數(shù)值研究.pdf

1、為了解決當(dāng)前存儲技術(shù)的發(fā)展陷入瓶頸的問題，對自旋轉(zhuǎn)移力矩效應(yīng)、賽道存儲器和磁性Skyrmions的研究越來越受到人們的關(guān)注。磁性Skyrmions具有拓?fù)浔Ｗo、尺寸小、低電流驅(qū)動等優(yōu)點，可為信息的快速穩(wěn)定傳輸、高密度存儲和低能耗提供解決方案?；诖判許kyrmions的賽道存儲器將磁性存儲固態(tài)化，可獲得機械硬盤和固態(tài)硬盤兩類設(shè)備的優(yōu)勢互補，這對存儲行業(yè)的發(fā)展是具有重大意義的。磁性Skyrmions相關(guān)器件的大規(guī)模應(yīng)用之前，在納米結(jié)構(gòu)中實

2、現(xiàn)對磁性Skyrmions生成和運動的操控至關(guān)重要，本文模擬以自旋極化電流注入磁性材料的方式生成并驅(qū)動磁性Skyrmions，詳細(xì)研究了磁性Skyrmions在納米結(jié)構(gòu)中生成和運動的相關(guān)問題。
　　本文基于微磁學(xué)模擬方法，通過OOMMF軟件首先在納米盤模型中詳細(xì)研究了自旋極化電流密度、持續(xù)時間以及注入域面積對磁性Skyrmions生成的影響。計算得到了不同注入域面積下的閾值電流密度，為降低生成磁性Skyrmions閾值電流密度提供

3、了解決方案，發(fā)現(xiàn)了磁性Skyrmions拓?fù)鋽?shù)對電流持續(xù)時間的參考意義。通過全域注入自旋極化電流生成了與局部注入磁矩方向相反的磁性Skyrmions，證明一種初始磁矩狀態(tài)可以生成兩種手性方向的磁性Skyrmions。磁性Skyrmions的尺寸與模型尺寸及形狀有關(guān)，與注入自旋極化電流的密度，持續(xù)時間以及注入域面積無關(guān)。當(dāng)模型尺寸較小時，會對磁性Skyrmions的尺寸有所限制；不同形狀時，納米圓盤比方盤對磁性Skyrmions尺寸更具有

4、限制作用。
　　本文隨后研究了磁性Skyrmions在賽道模型的應(yīng)用，由于磁性Skyrmions在生成、運動和湮滅過程遇到問題的不同，提出把賽道分成三個區(qū)域，即生成區(qū)、運動區(qū)和湮滅區(qū)，這有利于針對各部分的特點對賽道模型進行優(yōu)化設(shè)計。擴大生成區(qū)面積可降低在賽道模型采用電流局部注入生成磁性Skyrmions時的閾值電流密度；在生成區(qū)采用電流全域注入，當(dāng)出現(xiàn)Neel疇壁時適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)電流脈沖能夠形成磁性Skyrmions，這種生成方式使得

5、電流密度進一步降低。
　　本文最后分析了驅(qū)動電流下磁性Skyrmions在賽道上的運動，在運動過程中磁性Skyrmions會出現(xiàn)從賽道上邊界逃逸和在賽道末端停滯堵塞的問題，通過在運動區(qū)邊界設(shè)置障礙壁和在湮滅區(qū)設(shè)置缺口，為問題的解決提供了方案。研究發(fā)現(xiàn)障礙壁阻礙磁性Skyrmions逃逸的能力與障礙壁中設(shè)定的磁晶各向異性常數(shù)有關(guān)，缺口的湮滅能力與缺口設(shè)置的形式有關(guān)。當(dāng)電流驅(qū)動多個磁性Skyrmions在賽道上運動時，會看到后面的磁性

6、Skyrmions推動前面的磁性Skyrmions向賽道末端運動，在一定電流密度下會使得磁性Skyrmions湮滅，但在湮滅效果上不及缺口高效。
　　本文詳細(xì)討論了納米盤的模型尺寸、形狀及工藝參數(shù)對磁性Skyrmions生成和運動的影響，對如何降低生成區(qū)的電流密度和提升運動區(qū)的運動速度，解決磁性Skyrmions的邊界逃逸和末端堵塞等關(guān)鍵技術(shù)問題提供了有效的解決途徑，這些將對磁性Skyrmions在賽道存儲器上的應(yīng)用提供有價值的指