磁性隧道结中电场调控磁化翻转的微磁学模拟研究

Perpendicular magnetic tunnel junctions (MTJ) are known as the key unit of magnetic random access memory (MRAM) cells. Investigation of Electric-field (or voltage)-driven magnetization switching in MTJs is of great importance for developing high performance MRAM with large bit density and low energy consumption. Different from the current-induced switching mechanism based on the well-known spin transfer torque effect, magnetization direction can be reversed by a moderate electric field via the change of interfacial magnetic anisotropy, which provides a new pathway for magnetic data storage. Considering that most of the features and underlying mechanism remain unclear, in this project micromagnetic simulations will be employed to model the electric-field-driven magnetization dynamics in magnetic tunnel junctions. We will investigate the two different switching processes mediated either by the thermally activation or by the magnetization precession, in order to gain a deep insight into the nature of underlying physics. Furthermore, we will theoretically optimize the MTJ structure and predict the effective way to achieve high energy efficiency. We are strongly convinced that these studies will open new insights into the understanding of electric-field-control of magnetism and provide new prospects for applications of MTJ in advanced MRAM.

垂直磁化磁性隧道结是下一代磁性随机存储器（MRAM）的核心记录单元结构，研究其电场（又称电压）调控的磁化翻转机制对于研发高密度、低能耗的MRAM至关重要。与前几年研究较多的"自旋转移力矩"效应相比，新近发现的通过电场调控垂直磁各向异性而实现磁化翻转的技术为磁存储技术提供了一种新型操控途径。然而有关电场驱动磁化翻转模式的物理机理及其特性等基础性研究才刚刚起步，亟待深入探讨。本课题拟采用微磁学方法，发展电场驱动磁化翻转的微磁学模型，研究电场驱动的"热激励"和"磁矩进动"两种不同模式下磁化翻转的机制、特性和规律，探讨降低能耗的有效方法和途径，理论预测优化的磁性隧道结结构。该研究将为掌控电场调控磁动力学的深层物理机理和发展新型电场驱动的MRAM奠定理论基础。

针对高性能MRAM存储器和纳米微波振荡器的应用需求，本项目从材料结构、器件设计和物理机制等方面开展了系统深入的研究分析，旨在掌握电场及电流作用下磁动力学行为特性的物理图像和变化规律，以实现对磁性隧道结自由层磁化状态的有效调控。所取得的代表性结果如下：（1）建立了磁性隧道结中电场调控磁化翻转的微磁模型，揭示了磁化翻转与电压及电流的脉冲强度和宽度的关联问题，获得了确定性磁翻转的相图和降低能耗的有效方法。（2）微磁模拟和理论推导相结合，阐明了纳米柱结构中电流诱导磁矩进动的动力学行为，理论提出了可实现纳米微波振荡器阵列之间同步进动的锁相技术。通过合适设计电场和电流的脉冲宽度和幅度，实现了磁矩进动位置的精准控制以及电流对频率大小的干净无暂态调控。（3）研究了重金属/铁磁结构中基于自旋轨道矩效应的电流驱动磁化翻转，揭示了材料结构、电流热效应、电场调控磁各向异性等对磁矩翻转的影响规律和内在物理机制，实现了无磁场辅助的电流驱动确定性翻转。（4）成功制备了具有不同垂直各向异性强度和界面交换耦合强度的单层及复合薄膜样品，阐明了影响阻尼系数的本征和外部因素，掌握了调控进动频率和阻尼系数的有效方法。（5）通过控制制备工艺条件，获得了兼具强垂直各向异性、低阻尼系数和合适厚度的CoFeAlO薄膜，而且实现了具有结构有序和磁有序半金属Co2FeSi赫斯勒合金的可控生长。这些研究结果对研发高性能的自旋电子学器件具有重要的参考价值。在该项目资助下，共发表了25篇SCI论文(其中本人为通讯作者的有21篇)，含Phys. Rev. Applied 2篇，ACS Appl. Mater. Interfaces 1篇，Phys. Rev. B 2篇，Appl. Phys. Lett.3篇，申请国家发明专利2项。培养博士研究生4名，硕士研究生2名。