低临界电流密度的自旋转移矩激发具有垂直各向异性的磁性随机存储器的研究

The spin transfer torque (STT) has received a lot of attention due to their potential application in spintronics devices such as magnetic memory, microwave oscillator. The research is focused on reducing the critical current density required in STT magnetic random access memory (MRAM). Our previous micromagnetic simulations indicate the critical current density and magnetization switching time of in-plane STT MRAM can be significantly reduced under assistance of microwave. In the project, the perpendicular STT MRAM under assistance of microwave will be researched by micromagnetic simulation. Microscopic mechanism of magnetization dynamic induced microwave assisted STT is further researched by micromagnetic simulation. Firstly, micromagnetic simulation modeling is built for the perpendicular magnetic tunnel junction nanopillars . The mode, parameter of microwave field and perpendicular magnetic anisotropy is explore to effectively reduce critical current density and magnetization switching time. Simultaneously, the dual spin-polarizaers can enhance the STT effect, and the critical current density can be also reduced. The critical current density of perpendicular STT MRAM　can be further reduce under action of microwave assisted and dual spin-polarizaers. So the subject is very important to the application of perpendicular STT magnetic random access memory (MRAM) in the future.

在自旋电子学器件中，自旋转移矩(Spin transfer torque)效应在磁性随机存储器(MRAM)和微波发生器中的应用越来越受到人们广泛的关注。本项目主要研究如何实现自旋转移矩驱动的磁性随机存储器中磁化翻转所需的临界电流密度更低。探索微波磁场振幅、频率对临界电流密度和磁化翻转时间的影响，以获得最优微波磁场参数。进一步研究了垂直磁晶各向异性对微波辅助效率的影响及其物理本质。在这些研究的基础上，改变微波磁场的偏振态和形式(例方波、三角波等)以获得最优的微波磁场，使临界电流密度可以最大程度地降低。建立双极化层模型，在微波辅助和双极化层联合作用下使临界电流密度降低的更多，同时研究磁化翻转的微观机理和自由层磁矩进动的动力学特性。本项目的研究不仅对于自旋转移矩研究具有理论指导意义，而且在MRAM在进一步应用方面也具有重要价值。

磁性随机存储器(MRAM)是下一代超高密度磁性存储器的有利竞争者之一。随着存储面密度的提高和信息存储单元的减小，传统场驱动的MRAM写入信息的电流呈指数增长而自旋转移矩(STT)驱动的MRAM写入信息所需的电流减小。虽然STT-MRAM所需的写入电流减小，但是现在限制其广泛应用的主要问题之一仍然是写入信息的临界电流密度过高。现在磁性存储主要为垂直磁记录。因此本研究课题主要研究了垂直各向异性对临界电流密度以及自然共振频率的影响，以及利用微波磁场辅助的方法降低垂直磁化存储单元的临界电流密度。研究结果表明微波磁场的引入可以明显降低临界电流密度，但是所需微波磁场的频率达到了14GHz。. 建立了Out-plane的自旋阀结构，通过微磁学模拟研究了微波磁场对磁化翻转的临界电流密度的影响。研究结果表明，在微波磁场辅助在临界电流密度明显降低。微波磁场的频率以及振幅对临界电流密度有非常明显的影响。临界电流密度随着微波振幅的增加而减小。微波频率在6-20GHz之间变化，临界电流密度先减小后增加的变化趋势。当微波磁场的频率为14GHz时，临界电流密度最小，为2.1E11 A/m^2。通过模拟得到自由层的自然共振频率为14.2GHz。因此，当微波磁场的频率等于自由层的自然共振频率时临界电流密度降低的最多。在微波磁场的辅助下，除临界电流密度可以降低外，磁化翻转时间也明显减小。. 通过微磁学模拟研究了纳米磁性椭圆环的静态和动态特性。纳米磁性椭圆环中存在两个稳定的磁化分布状态：vortex和onion态。与圆环相比，由于椭圆环引入了形状各向异性onion态更加稳定。研究了几何尺寸对椭圆环中vortex和onion态时系统的总能量的变化。同时研究了其磁滞回线，纳米磁性椭圆环在外磁场作用下为一致反转，中间不需要经过vortex态。此外还研究了几何尺寸对onion和vortex态下的自然共振频率的影响。.利用电子束沉积技术获得了坡莫合金软磁薄膜，通过微纳米加工技术制备了1*7微米厚度20nm后的磁性薄膜带。利用我们搭建电磁测量系统研究了高功率下纳米磁性带的铁磁共振。我们得到了不同频率微波激发下铁磁共振相图。随着微波频率的减小，其铁磁共振峰由两个减小为一个，并且铁磁共振场也随之减小。当增加激发微波磁场的功率时，铁磁共振峰的强度先增大后基本不变。同时铁磁共振的半高宽也随之增加。