本文關鍵詞：磁隧道結中自旋轉(zhuǎn)移矩效應動態(tài)特性及熱穩(wěn)定性的研究

  更多相關文章： 類場自旋轉(zhuǎn)移力矩 磁隧道結 非共線極化層 微磁模擬 翻轉(zhuǎn)特性 自由層磁矩

【摘要】：隨著人們對存儲技術要求的提高,基于自旋轉(zhuǎn)移矩(STT)效應的磁性隨機存儲器(STT-MRAM)以其巨大的優(yōu)勢成為磁學領域研究的熱點。作為隨機存儲器的核心組成部分,磁隧道結中磁矩動態(tài)特性的研究對于STT-MRAM高存儲密度、可擴展性的實現(xiàn)具有關鍵的意義。近年來,基于Co Fe B-Mg O材料的磁隧道結構得到了特別的關注,其優(yōu)越的性能為新型磁存儲器的商業(yè)化提供了光明的前景。但是納米尺寸磁隧道結中的磁矩更容易受到熱擾動的影響,而且過高的電流密度會使絕緣層很容易被擊穿,阻礙了自旋轉(zhuǎn)移矩磁性隨機存儲器商業(yè)化目標的實現(xiàn)。如何在保持較高熱穩(wěn)定性的前提下進一步改善磁矩進動的動態(tài)特性成為迫切需要解決的難題。本文基于Landau-Lifshitz-Gilbert-Slonczewsk(LLGS)方程,建立了宏自旋與微磁兩種模型,對磁隧道結中影響STT效應動態(tài)特性以及系統(tǒng)熱穩(wěn)定性的因素進行了探討,主要研究內(nèi)容為:1.介紹了磁性存儲技術的研究背景和意義,總結了磁性存儲器的研究成果和面臨的挑戰(zhàn)。通過對磁矩進動動態(tài)方程的解析以及相互作用能的闡述,為研究磁矩動態(tài)特性提供了理論基礎。2.分別研究了面內(nèi)磁隧道結構,特別是Co Fe B-Mg O多層膜結構中形狀各向異性以及面外磁隧道結中垂直各向異性的影響。對于面內(nèi)隧道結而言,合適的尺寸規(guī)模對其動態(tài)特性的影響很大。自由層長寬比及其厚度的增加,會導致面內(nèi)各向異性增強,翻轉(zhuǎn)時間與閾值電流密度增大。對于面外垂直磁隧道結而言,垂直各向異性系數(shù)越大,磁矩偏離易軸的阻礙作用越強,所需要的閾值電流和翻轉(zhuǎn)時間越大。3.研究了材料參數(shù)對熱穩(wěn)定因子及自旋轉(zhuǎn)移效率的影響。主要研究了飽和磁化強度、各向異性系數(shù)、自由層尺寸長寬比和厚度以及溫度等因素的影響。垂直磁隧道結中自旋轉(zhuǎn)移矩效率會隨著自由層厚度的減小而增加,隨著垂直各項異性系數(shù)的減小而減小,隨著飽和磁化強度的減小而增加。在飽和磁化強度和垂直各項異性的幅值降低時,自旋轉(zhuǎn)移矩效率增加,飽和磁化強度對動態(tài)特性的增強作用要大于垂直各項異性系數(shù)的減弱作用。4.研究了類場項和極化層磁矩初始偏角對磁隧道結閾值電流以及翻轉(zhuǎn)時間的影響。運用微磁模擬的方法對非共線磁性多層膜結構中的自旋轉(zhuǎn)移力矩效應進行了研究,著重考察了Slonczewski項和類場項的影響情況。研究結果表明,在給極化層磁矩一定初始偏角時,閾值電流會大幅減小,減小幅度可達37%。而且類場STT項和Slonczewski項對閾值電流密度和翻轉(zhuǎn)時間有著重要的影響。分析表明類場項和Slonczewski項在一定條件下可以明顯地改善磁隧道結的翻轉(zhuǎn)特性,此時類場STT項有效地促進自由層磁矩翻轉(zhuǎn)的進程,從而使閾值電流減小,翻轉(zhuǎn)時間縮短。
【關鍵詞】：類場自旋轉(zhuǎn)移力矩 磁隧道結 非共線極化層 微磁模擬 翻轉(zhuǎn)特性 自由層磁矩
【學位授予單位】：太原理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP333
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 緒論10-18
• 1.1 研究背景和意義10-11
• 1.2 自旋轉(zhuǎn)移矩效應11-12
• 1.3 磁隧道結的發(fā)展及其在器件中的應用12-16
• 1.3.1 磁性隨機存儲器12-13
• 1.3.2 自旋轉(zhuǎn)移矩磁性隨機存儲器13-14
• 1.3.3 自旋振蕩器14-15
• 1.3.4 磁存儲器的研究成果及挑戰(zhàn)15-16
• 1.4 論文主要研究內(nèi)容16-18
• 第二章 磁矩進動方程18-28
• 2.1 鐵磁性材料中的能量18-20
• 2.1.1 交換能18-19
• 2.1.2 退磁能19
• 2.1.3 塞曼能19
• 2.1.4 磁晶各向異性能19-20
• 2.2 磁矩進動的動態(tài)方程20-24
• 2.2.1 Landau-Lifshitz方程20-21
• 2.2.2 Landau-Lifshitz-Gilbert方程21-22
• 2.2.3 Landau-Lifshitz-Gilbert-Slonczewski方程22-24
• 2.3 龍格庫塔法的基本原理24-26
• 2.4 微磁模擬有限差分思想26-27
• 2.5 本章小結27-28
• 第三章 理論模型28-36
• 3.1 宏自旋模型的建立28-29
• 3.2 隧道磁電阻的變化情況29-31
• 3.3 微磁模型31-34
• 3.4 結論34-36
• 第四章 系統(tǒng)熱穩(wěn)定性的研究以及各向異性的影響36-50
• 4.1 系統(tǒng)熱穩(wěn)定性需求的研究37-38
• 4.2 確保非易失性條件下的磁體尺寸大小的研究38-48
• 4.2.1 面內(nèi)磁各向異性的研究39-40
• 4.2.2 模擬結果與討論40-43
• 4.2.3 垂直磁各向異性的研究43-44
• 4.2.4 模擬結果與討論44-48
• 4.3 結論48-50
• 第五章 類場項的影響50-58
• 5.1 研究背景及意義50-51
• 5.2 模型的建立51-52
• 5.3 模擬研究及結果52-56
• 5.3.1 無類場項情況下閾值電流與極化層磁矩偏角的關系52-54
• 5.3.2 考慮類場項情況下翻轉(zhuǎn)時間隨極化層磁矩初始角的變化54-55
• 5.3.3 類場項受Slonczewski項影響下，翻轉(zhuǎn)時間與 σ 和 β 的關系55-56
• 5.4 結論56-58
• 第六章 總結與展望58-60
• 6.1 全文總結58-59
• 6.2 工作展望59-60
• 參考文獻60-66
• 致謝66-68
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表的學術論文68

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本文編號：572516