垂直磁各向异性自旋阀结构磁动力学的微磁研究

The spin-valve structures with perpendicular magnetic anisotropy (PMA) allow the possibility of applications in the fields of magnetic data storage and microwave emission.In this project, micromagnetic simulations combined with STT effect, will be employed to study the microscopic mechanism of the magnetization dynamics driven by the spin-polarized current and magnetic field.The main research contents include the following several aspects: Firstly the micromagnetic modeling of the spin valve nanopillar with the polarizer and free layer having perpendicular magnetic anisotropy will be built up.A series of plateaus of the reversible magnetization curve will be investigated.Secondly, we will study the influence of current and the tilted magnetic anisotropy of free layer on the magnetization dynamics and the critical condition of the reversible magnetization curve will be obtained.Thirdly,the reversible magnetic process of the free layer taking place at the beginning of the magnetization reversal curve will be investigated.The dependence of the magnetic precess on parameters such as the current density will be studied.The aim of this project is to study the spin-transfer-driven magnetization dynamics in a perpendicularly magnetized spin-valve nanopillar and achieve the physical mechanism of the dynamic behavior.All these foundings of this project will offer technical guiding for the engineering of new spintronic devices.

垂直磁各向异性自旋阀结构在磁信息存储和微波发射等领域具有极大的潜在应用前景。本项目拟采用微磁模拟技术，结合自旋转矩(STT)效应，针对磁场与电流共同驱动下自由层磁矩动态行为的微观机理展开深入研究。具体包括：建立自由层与钉扎层均为垂直磁各向异性的微磁学自旋阀模型，研究自由层磁矩可逆磁化翻转曲线中一系列小平台的形成机理；揭示自由层易轴倾斜角度以及电流方向对磁化翻转曲线的影响问题，探讨磁化翻转曲线可逆性的临界条件；探讨自由层磁矩可逆磁化翻转过程中低场区域内磁矩的振荡模式，揭示影响磁振荡频率的参数因素等系列问题。本项目旨在深入研究垂直磁各向异性自旋阀结构中自旋转矩效应驱动磁矩进动的物理机理和行为特性，从而为相关自旋电子器件的研发提供必要的技术参考和依据

基于自由层与钉扎层均为垂直磁各向异性的自旋阀模型，主要研究了自由层磁矩翻转的动力学行为，探讨了磁化翻转曲线中小平台的物理机制。研究了倾斜极化层作用下的自旋转矩纳米振荡器的动力学过程,探讨了自由层磁矩周期性进动频率与样品固有参数之间的关联性；通过理论模型成功的分析了自由层磁矩周期性进动频率的物理机制。结合微磁模拟与傅里叶分析方法研究了磁涡旋方位角自旋波模式的激发，探讨了样品厚度对旋转回归自旋波主频模式的影响。.重要结果包括：. 1）基于具有垂直磁各向异性的极化层与小角度倾斜的自由层的自旋阀模型，模拟结果显示：在磁化翻转曲线中存在一系列变化缓慢的平台，该平台对应于实验中观察到的R-H曲线中的平台。模拟得出了磁化翻转曲线中出现的多种自旋波振荡模式。. 2）基于具有倾斜极化层的自旋阀模型，得到了周期性进动频率与应用电流和样品固有参数间的关联相图。对于固定的倾斜角度β，进动频率随着电流密度的增加从几个吉赫兹变化到26吉赫兹。当应用电流固定时，进动频率也会随着β的增加而增加，频率变化区域则会变窄。若采用不同饱和磁化强度Ms，则频率变化区域会随着Ms的增加而变宽。进动频率可通过一理论模型来解释其与各参数间的关联性。. 3）模拟得出了一系列磁涡旋方位角自旋波模式。观察到的自旋波模式具有两重对称性, 可以通过C2 群理论来进行类型的划分。在样品厚度增加到40 nm的范围内，旋转回归模式对应的基频值f1随着样品厚度的增加而线性增加。在厚度区间40到60 nm范围内，基频值则出现了先减后增的变化。微磁模拟研究表明磁涡旋的两维与三维结构模型对磁涡旋的动力学行为影响较大。此外，研究发现为实现磁涡核极性翻转，样品中的最大局域交换能量密度需达到一临界值。. 我们相信，以上研究结果有助于深入认识自旋转矩效应所驱动的磁性动力学特性，为研发自旋转矩型自旋电子器件奠定理论基础。