磁性隧道結(jié)中電流誘導(dǎo)的磁化翻轉(zhuǎn)模擬研究.pdf

1、1996年“自旋轉(zhuǎn)移矩”效應(yīng)的理論預(yù)言和2000年的首次實(shí)驗(yàn)證實(shí)被認(rèn)為是繼“巨磁電阻效應(yīng)”之后的又一里程碑式的新發(fā)現(xiàn)。當(dāng)足夠大小的極化電流垂直流過納米尺度的磁性薄膜器件時(shí)，極化電流產(chǎn)生的自旋轉(zhuǎn)移矩將誘導(dǎo)磁矩振蕩甚至磁化翻轉(zhuǎn)。在巨磁電阻器件(三明治金屬多層膜、自旋閥或磁性隧道結(jié))中觀察到的這種由電流誘導(dǎo)的磁化翻轉(zhuǎn)(CIMS)效應(yīng)為巨磁電阻型隨機(jī)存儲(chǔ)器(MRAM)提供了一種全新的寫入新方法，這種電流直接寫入的MRAM有助于解決傳統(tǒng)磁場(chǎng)寫入M

2、RAM的諸多問題。本論文主要研究了磁性隧道結(jié)中由電流誘導(dǎo)的磁化翻轉(zhuǎn)。 第二章我們簡(jiǎn)單介紹了本文所用的微磁模擬方法。第三章中我們將自旋轉(zhuǎn)移矩效應(yīng)理論引入到我們自行開發(fā)的基于Landau—Lifshitz方程的微磁模擬程序中，研究了納米尺度低電阻磁性隧道結(jié)中電流誘導(dǎo)磁化翻轉(zhuǎn)的動(dòng)力學(xué)過程，觀察了磁化翻轉(zhuǎn)的關(guān)鍵指標(biāo)：臨界翻轉(zhuǎn)電流密度值，結(jié)果與實(shí)驗(yàn)報(bào)道相吻合；同時(shí)，在電流驅(qū)動(dòng)的磁化翻轉(zhuǎn)回線中觀察到臨界電流不對(duì)稱，并利用Slonczewsk

3、i提出的磁性隧道結(jié)中的自旋轉(zhuǎn)移矩理論對(duì)其進(jìn)行了合理解釋。 第四章中，針對(duì)低電阻磁性隧道結(jié)，我們建立了“絕緣隧穿通道”和“歐姆通道”并存結(jié)構(gòu)模型，研究了勢(shì)壘層中由hotspot引起的納米通道(NCC)非均勻電流效應(yīng)對(duì)自旋轉(zhuǎn)移矩驅(qū)動(dòng)的磁化翻轉(zhuǎn)的影響。結(jié)果顯示，由于hotspot(NCC)處電流密度局域增大，使得局域自旋轉(zhuǎn)移矩增大，從而導(dǎo)致臨界翻轉(zhuǎn)電流值降低。同時(shí)發(fā)現(xiàn)臨界電流密度隨NCC面積的增大而減小。為了探索翻轉(zhuǎn)電流降低的物理機(jī)理

4、，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)可觀測(cè)的hotspot(NCC)結(jié)構(gòu)，用“快照”的方式研究了自由層磁化翻轉(zhuǎn)的詳細(xì)動(dòng)態(tài)過程。結(jié)果表明，納米通道非均勻電流通過局域電流密度的提高來增強(qiáng)局域自旋轉(zhuǎn)移矩效應(yīng)，使hotspot(NCC)局域磁矩先行翻轉(zhuǎn)，而后帶動(dòng)周圍磁矩翻轉(zhuǎn)的微觀物理機(jī)理。 同時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)臨界電流和翻轉(zhuǎn)時(shí)間與hotspot(NCC)的大小和位置密切相關(guān)：隨著NCC所占面積比例的增大，臨界翻轉(zhuǎn)電流降低，翻轉(zhuǎn)時(shí)間加快；在相同面積相同電流下，位于