垂直和面内双自旋极化驱动的磁动力学微磁研究

Magnetization precession and magnetization reversal driven by spin-transfer torque (STT) have attracted intensive investigations due to the potential applications in magnetic memory and microwave oscillator. The devices with combined in-plane (IP) and out-of-plane (OP) dual spin-poalrizers could enhance the STT effect. Our previous macrospin simulations indicate that the switching time could be significantly reduced by the dual spin-polarizers. In this project, micromagnetic simulations will be employed to further study the microscopic mechanism of the magnetization dynamics induced by STT effect. Firstly the micromagnetic modeling will be built up for the spin valve or magnetic tunnel junction nanopillars with IP and OP dual spin-polarizers and the free layer having in-plane or perpendicular manetic anisotropy. The ultrafast switching and microwave excitation in such structures will be investigated. Secondly, the dynamical characters of the free layer magnetization driven by an OP polaizer with tilted annisotropy will be further studied. The dependence of parameter such as the tilted angle between the two spin polarized layer will be established. Thirdly, the fieldlike STT effect in tunnel junctions, and spin pumping effect at the interface will be investigated. The goal of this project is to achieve a deep understanding of the dynamic behavior and microscopic phyaical mechanism of the spin-transfer torque effect in the nanopillars with the IP and OP dual spin-polarizers, which will be helpful to guiding the engeneering the spin-transfer torque devices.

自旋转矩效应（STT)驱动的磁矩进动和磁化翻转在磁存储和微波激发等方面有潜在应用而引起广泛关注，面内和垂直双自旋极化层设计可有效增强STT效应。我们前期初步宏自旋模拟结果显示，双自旋极化层结构能大大降低自由层磁矩的翻转时间。本课题拟采用微磁学技术，针对STT效应驱动磁矩进动的微观机理开展进一步深入研究：建立自由层分别为垂直和面内各向异性材料的双自旋极化微磁学模型，研究磁矩超快翻转和微波激发的特性和微观机理；探讨倾斜自旋极化层驱动下自由层磁矩进动的行为特性，揭示磁矩动态行为与自旋极化层倾角等参数的关联问题；研究磁性隧道结中垂直STT效应，探讨界面自旋泵浦效应对自旋翻转的影响问题等。本项目旨在深入研究双自旋极化层所诱导的自旋转矩效应的物理机理和行为特性，对相关自旋电子器件的设计和研制具有指导意义。

本项目按照原定计划，对自旋转矩效应驱动的磁矩的进动和磁化翻转进了研究。.主要内容包括：.建立了自由层分别为垂直和面内各向异性材料的双自旋极化为此学模拟，研究了倾斜极化层作用下的微振荡器的动力学过程，理论上分析了钉扎层倾斜角度对自由层磁矩翻转行为的影响；建立了全真的微磁学模拟程序，对磁性隧道结作为磁性存储器和传感器的不同应用，其尺寸和形状比率对其性质的微磁学模拟研究，探讨了不同应用下自由层磁矩的动力学行为，给出了不同应用下，器件的最有尺寸和形状，为下一步双自旋极化层模型的建立进行参数优化和设计。.重要结果包括：.1、.对于同种铁磁材料，在保持Ms不变的时候，自旋波频率随着电流的增加而增加。在保持阻尼系数为0.01的条件下，改变Ms的大小，自由层磁矩的旋转速度随着电流强度的增加迅速提升，最高可达41GHz.2、.钉扎层磁矩倾斜角度越小，稳定振荡的电流区间越大，反之，越小；自由层磁矩在激发自旋波的过程中和竖直方向的夹角大小的关系，激发的自旋波频率越高，其夹角越小。.3、.建立更加接近真实情况的双自旋极化层驱动的隧道结模型，建立了圆形和椭圆形磁性隧道结模型，并与实验结果进行对比，验证了模拟结果的正确性，为下一步进行双自旋极化层模型的建立，进行了参数的优化。.4、.对于圆形器件来说，随着直径的增加，其磁滞现象开始逐渐显现。尺寸越大，磁滞现象越明显；直径越小，其线性度越好，这说明尺寸减小可以用于磁性传感器，其灵敏度很高。.5、.对于不同尺寸的圆形器件，尺寸较小的时候，钉扎层退磁场起到了主要的影响，而随之尺寸的增加，钉扎层的影响减小，尼尔耦合的作用显现出来，其偏置场趋于没有切割的磁性多层膜的实验测量值。.6、.对于存储器器件来说，长宽比越大，尺寸越小，其磁滞现象越显著；而对于传感器而言，长宽比越小，尺寸越大，其饱和场越小；模拟数据对比实验数据，得到了很好的吻合。