本文關(guān)鍵詞：磁疇壁和渦旋態(tài)自旋動(dòng)力學(xué)的微磁學(xué)研究

  更多相關(guān)文章： 疇壁 渦旋態(tài) 自旋轉(zhuǎn)移矩 微磁學(xué)模擬

【摘要】：自旋轉(zhuǎn)移矩(Spin-transfer Torque, STT)效應(yīng)的發(fā)現(xiàn),使得在磁性納米結(jié)構(gòu)中操縱局域磁矩的動(dòng)力學(xué)過程成為可能。在不借助于外加磁場(chǎng)的情況下,STT有足夠的能力激發(fā)磁矩進(jìn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)不同類型的磁化動(dòng)力學(xué)過程,比如磁化反轉(zhuǎn),磁疇壁移動(dòng)和磁矩的穩(wěn)定進(jìn)動(dòng)等。帶狀或柱狀磁性納米結(jié)構(gòu)中磁特性的研究不僅可以為磁化動(dòng)力學(xué)過程提供一個(gè)更為深入的理解,而且對(duì)于實(shí)現(xiàn)廣泛的技術(shù)應(yīng)用具有重大的意義。近年來(lái)隨著對(duì)納米結(jié)構(gòu)中磁特性的深入研究,賽道存儲(chǔ)器,微波振蕩器以及磁場(chǎng)傳感器等一系列新穎的概念被提出甚至已經(jīng)實(shí)現(xiàn)相關(guān)的技術(shù)應(yīng)用。本論文采用微磁學(xué)方法,主要研究了不同的納米體系中自旋轉(zhuǎn)移矩對(duì)磁疇壁和渦旋態(tài)的動(dòng)力學(xué)過程的作用。對(duì)磁疇壁的研究,我們主要關(guān)注在疇壁移動(dòng)過程中一個(gè)非常重要的現(xiàn)象一Walker breakdown,并通過各種方法提高Walker極限進(jìn)而提高疇壁的移動(dòng)速度。在另一部分關(guān)于磁渦旋態(tài)的工作中,對(duì)渦旋核的進(jìn)動(dòng)以及相互耦合的兩渦旋核之間相位鎖定過程進(jìn)行了深入的研究。具體內(nèi)容和研究方法如下：1.磁性納米帶中疇壁移動(dòng)首先,局域的幾何缺陷和雜散場(chǎng)可以為處于納米帶中的疇壁提供一個(gè)釘扎勢(shì)阱,從而阻礙疇壁的正常移動(dòng)。與此同時(shí),釘扎位的存在也會(huì)改變磁疇的結(jié)構(gòu)特征。當(dāng)疇壁受到釘扎的作用發(fā)生適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)形變時(shí),會(huì)有利于疇壁的移動(dòng)。為了對(duì)這兩個(gè)相互矛盾的作用效果有一個(gè)更加系統(tǒng)的理解,我們選取一個(gè)納米帶一納米柵系統(tǒng)作為模型,對(duì)疇壁在納米帶中的運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。結(jié)果表明當(dāng)納米帶兩側(cè)周期排列的納米柵與納米帶沒有幾何接觸時(shí),其對(duì)疇壁的釘扎主要來(lái)自于雜散場(chǎng)并且釘扎強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于幾何釘扎,一系列周期性變化的雜散場(chǎng)同時(shí)可以使疇結(jié)構(gòu)產(chǎn)生適當(dāng)?shù)男巫?進(jìn)而有利于提高疇壁的移動(dòng)速度。另外通過理論分析,我們發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)180°疇壁進(jìn)行長(zhǎng)程移動(dòng)的力與退磁場(chǎng)的作用直接相關(guān),而磁性材料的幾何結(jié)構(gòu)影響內(nèi)部退磁場(chǎng)的分布,因此疇壁的移動(dòng)速度與材料的幾何結(jié)構(gòu)是密切相關(guān)的�；诖死碚摲治�,我們通過微磁學(xué)手段研究了納米帶中磁疇壁在靜態(tài)磁場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)過程,通過改變納米帶橫截面的形狀,在相同的磁場(chǎng)強(qiáng)度下疇壁的移動(dòng)速度可以得到明顯的提高。其次,我們研究了磁性納米帶中360°疇壁的動(dòng)力學(xué)特征。360°疇壁是由兩個(gè)橫向180°疇壁組成的亞穩(wěn)磁結(jié)構(gòu),疇壁兩側(cè)的磁化方向是一致的。因此通過一個(gè)靜態(tài)磁場(chǎng)只能改變360°疇壁的靜態(tài)結(jié)構(gòu),而不能使它的位置發(fā)生移動(dòng),然而自旋極化電流則可以通過STT效應(yīng)使360°疇壁發(fā)生長(zhǎng)程位移。由于360°疇壁結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性,在電流驅(qū)動(dòng)疇壁運(yùn)動(dòng)的過程中很容易湮滅。通過對(duì)疇壁湮滅物理過程的分析,我們提出了借助面外偏置磁場(chǎng)的方法提高疇壁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,并且疇壁移動(dòng)速度也可以得到大幅提高。最后,在強(qiáng)自旋軌道相互作用和反演對(duì)稱性(晶體結(jié)構(gòu)或界面對(duì)稱性)缺失的共同作用下,會(huì)在磁性材料內(nèi)部存在一種手性交換相互作用-Dzyaloshinskii-Moriya相互作用(Dzyaloshinskii-Moriya interaction, DMI)。DMI不僅影響納米帶內(nèi)疇壁的靜態(tài)特征,同時(shí)也對(duì)疇壁移動(dòng)的動(dòng)態(tài)特征有顯著的影響。在本部分工作中,我們系統(tǒng)研究了DMI對(duì)疇壁靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特征的影響。2.相互耦合的兩渦旋核間的相位鎖定適當(dāng)?shù)淖孕龢O化電流可以驅(qū)動(dòng)渦旋核進(jìn)行穩(wěn)定的回旋運(yùn)動(dòng)�？梢岳眠@一特性設(shè)計(jì)自旋納米振蕩器。設(shè)計(jì)自旋納米振蕩器陣列是提高功率輸出的一種有效途徑,同時(shí)對(duì)自旋納米振蕩器之間相位的調(diào)控也可以應(yīng)用于有源相位控制等微波電子電路。在陣列化自旋納米振蕩器中,必須實(shí)現(xiàn)相鄰自旋納米振蕩器之間穩(wěn)定的同步運(yùn)動(dòng)。我們本部分工作系統(tǒng)研究了相互耦合的渦旋態(tài)之間的同步問題。首先,兩渦旋態(tài)通過偶極相互作用相互耦合時(shí),通過采用點(diǎn)接觸的自旋注入方式可以大幅提高完成相位鎖定所允許的電流密度區(qū)間。結(jié)合理論分析,我們將耦合強(qiáng)度等因素對(duì)兩渦旋核間的相位鎖定參數(shù)的影響進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。其次,通過磁性橋連接時(shí),渦旋態(tài)之間的耦合方式來(lái)自于交換和偶極相互作用,具有更大的耦合強(qiáng)度。兩渦旋態(tài)之間完成相位鎖定所需要的時(shí)間大大縮短。但是由于橋連接的作用,相位鎖定后兩渦旋態(tài)之間的相位差固定在一個(gè)非零值,并且相位差可以通過耦合強(qiáng)度,奧斯特場(chǎng)分布以及自旋閥結(jié)構(gòu)的幾何大小等因素進(jìn)一步調(diào)節(jié)。對(duì)渦旋核之間相位鎖定過程進(jìn)行系統(tǒng)研究,可以為基于渦旋態(tài)的自旋納米振蕩器的設(shè)計(jì)以及應(yīng)用提供必要的理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)思路。
【關(guān)鍵詞】：疇壁 渦旋態(tài) 自旋轉(zhuǎn)移矩 微磁學(xué)模擬
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：O469
【目錄】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-10
• 第一章 緒論10-26
• 1.1 新磁學(xué)的研究?jī)?nèi)容和發(fā)展趨勢(shì)10-11
• 1.2 磁電阻效應(yīng)11-14
• 1.2.1 巨磁阻效應(yīng)(Giant Magnetoresistance,GMR)11-13
• 1.2.2 隧穿磁阻效應(yīng)(Tunnelling Magnetoresistance,TMR)13-14
• 1.3 自旋轉(zhuǎn)移矩(Spin Transfer Torque,STT)14-17
• 1.4 賽道存儲(chǔ)器(Racetrack Memory)17-18
• 1.5 自旋矩納米振蕩器(Spin-torque Nano-oscillators,STNOs)18-20
• 1.6 本論文的主要內(nèi)容20-21
• 參考文獻(xiàn)21-26
• 第二章 微磁學(xué)基礎(chǔ)26-40
• 2.1 微磁學(xué)連續(xù)介質(zhì)理論26-33
• 2.1.1 交換能27
• 2.1.2 磁晶各向異性能27-29
• 2.1.3 靜磁能29-30
• 2.1.4 靜態(tài)Brown方程30
• 2.1.5 動(dòng)態(tài)LLG方程30-33
• 2.2 數(shù)值微磁學(xué)33-34
• 2.2.1 有限差分方法(Finite Difference Method,FDM)34
• 2.2.2 有限元方法(Finite Element Method,FEM)34
• 2.3 常用微磁學(xué)軟件介紹34-37
• 參考文獻(xiàn)37-40
• 第三章 180°疇壁移動(dòng)40-72
• 3.1 納米帶—納米柵系統(tǒng)中電流驅(qū)動(dòng)疇壁移動(dòng)43-51
• 3.1.1 研究體系及建模43-44
• 3.1.2 結(jié)果與討論44-51
• 3.1.3 小結(jié)51
• 3.2 納米帶橫截面形狀對(duì)疇壁移動(dòng)的影響51-58
• 3.2.1 模型設(shè)計(jì)及微磁學(xué)方法52-53
• 3.2.2 結(jié)果與討論53-57
• 3.2.3 小結(jié)與展望57-58
• 3.3 Dzyaloshinskii-Moriya相互作用對(duì)疇壁運(yùn)動(dòng)的影響58-66
• 3.3.1 微磁學(xué)模型的建立59
• 3.3.2 結(jié)果與討論59-65
• 3.3.3 小結(jié)65-66
• 3.4 結(jié)論66-67
• 參考文獻(xiàn)67-72
• 第四章 電流驅(qū)動(dòng)360°疇壁移動(dòng)72-80
• 4.1 模型建立與微磁學(xué)方法72-73
• 4.2 結(jié)果與討論73-78
• 4.3 結(jié)論與展望78-79
• 參考文獻(xiàn)79-80
• 第五章 渦旋態(tài)之間的相位鎖定研究80-106
• 5.1 偶極耦合的兩渦旋態(tài)之間的相位鎖定82-89
• 5.1.1 模型建立及微磁學(xué)方法82-83
• 5.1.2 結(jié)果與討論83-89
• 5.1.3 小結(jié)與展望89
• 5.2 連接橋耦合的兩渦旋態(tài)之間的相位鎖定89-100
• 5.2.1 微磁學(xué)模型的建立90-91
• 5.2.2 結(jié)果與討論91-100
• 5.2.3 小結(jié)100
• 5.3 結(jié)論100-102
• 參考文獻(xiàn)102-106
• 第六章 自旋轉(zhuǎn)移矩激發(fā)磁孤子的動(dòng)態(tài)過程研究106-120
• 6.1 微磁學(xué)模型107-108
• 6.2 結(jié)果與討論108-115
• 6.2.1 無(wú)DMI情況下磁孤子的激發(fā)108-112
• 6.2.2 DMI對(duì)磁孤子形核類型及動(dòng)力學(xué)過程的影響112-115
• 6.3 總結(jié)與工作展望115-117
• 參考文獻(xiàn)117-120
• 第七章 結(jié)論和工作展望120-123
• 7.1 本論文得到的主要結(jié)論120-122
• 7.1.1 關(guān)于180°疇壁運(yùn)動(dòng)的研究120-121
• 7.1.2 關(guān)于360°疇壁運(yùn)動(dòng)的研究121
• 7.1.3 相互耦合的渦旋態(tài)的鎖相121-122
• 7.1.4 不同類型磁孤子的激發(fā)及動(dòng)態(tài)過程研究122
• 7.2 工作展望122-123
• 在學(xué)期間的研究成果123-126
• 致謝126-127

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

1 李彥波;魏福林;楊正;;磁性隧道結(jié)的隧穿磁電阻效應(yīng)及其研究進(jìn)展[J];物理;2009年06期

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本文編號(hào)：640141