鐵磁薄膜圖形化單元磁特性的微磁學(xué)研究.pdf

1、微磁學(xué)模擬為人們在納米/微米尺度范圍內(nèi)研究鐵磁材料的磁化、反磁化及相關(guān)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(xué)及應(yīng)用研究方面得到了廣泛的應(yīng)用。近十年來，隨著薄膜材料制備與加工技術(shù)的進(jìn)步，制備精度達(dá)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(nèi)，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(yīng)力將對其磁性能產(chǎn)生重要的影響，也是相應(yīng)微磁器件

2、設(shè)計(jì)和研制的關(guān)鍵參數(shù)之一。因此，開展圖形化鐵磁薄膜單元的微磁學(xué)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(yīng)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(zhuǎn)變規(guī)律為研究目標(biāo)，根據(jù)微磁學(xué)基本原理分析了數(shù)值微磁學(xué)計(jì)算方法與計(jì)算過程；應(yīng)用OOMMF微磁學(xué)軟件，在建立鐵磁薄膜單元物理模型的基礎(chǔ)上，研究了磁性隨機(jī)存儲器(MRA

3、M)圖形化存儲單元的微磁學(xué)設(shè)計(jì)、應(yīng)力與磁矩的相互作用及圖形化單元的動態(tài)響應(yīng)特性等。本論文主要包含以下內(nèi)容： 1．扼要介紹了微磁學(xué)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(dá)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(jì)算結(jié)果奠定了基礎(chǔ)。 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(dú)特的磁化反轉(zhuǎn)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(dāng)菱形單元的長寬比小于2.4時，其反轉(zhuǎn)場隨長寬比的增大而增大，反之單元的反轉(zhuǎn)場幾乎不隨長寬比變化而變化；釘扎層反

5、轉(zhuǎn)場最小時對應(yīng)的字線厚度為70nm，最大時對應(yīng)的字線厚度為50nm，且字/位線到存儲單元的距離對單元反轉(zhuǎn)過程和單元磁阻效應(yīng)的影響最大。研究結(jié)果可為MRAM的設(shè)計(jì)和研制提供新思路。 3．提出將應(yīng)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(yīng)力對磁矩作用的方法，建立了應(yīng)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(dá)式。利用這一模型，研究了應(yīng)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(yīng)力對剩磁影響的敏感度，最高可達(dá)0.9％/MPa，但隨應(yīng)力的增加趨于飽和；對于長度較小的單元，矯頑力對應(yīng)力敏感性為40mT/GPa，而在寬度較窄的單元達(dá)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(yīng)力的作用可以顯著地改變磁性單元的磁化狀態(tài)。研究結(jié)果為圖形化單元的剩磁、矯頑力和磁化狀態(tài)的人工調(diào)控，設(shè)計(jì)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