自旋转移矩磁存储器的静动态特性微磁仿真与分析

The static and dynamic properties of spin transfer torque random access memory (STT-RAM) has attracted considerable attention experimentally and theoretically due to its promising potential for future universal memory. With the scaling down of the STT-RAM devices, however, the micromagnetic model cannot well describe the interface and thermal fluctuation effects, which influence the magnetization reversal process, and thermally assisted magnetization reversal. Although atomistic spin model may address the above mentioned challenge, the needed computational power will increase significantly. In this project, combining the advantages of multi-scale, multi-grid and fast multi-pole methods, the micro magnetic simulation software will be developed in terms of atomistic spin model and multi-GPU parallel computing. Based on this simulation software tool developed, we firstly study the influences of the material properties and structural characteristics of the STT-RAM on its thermal stability and, design STT-RAM devices with excellent thermal stability and predict theoretically the physical limits of scalability; Secondly, we examine the effects of laser- and microwave-assisted magnetization reversal on the static and dynamic properties of STT-RAM and, design the fully functional STT-RAM chips with potential application. These investigations will provide a theoretical basis for STT driven magneto-electronic devices.

在未来多用途存储器方面，自旋转移矩随机存储器件(STT-RAM)有着广阔的应用前景，因而其静动态特性在实验和理论上引起人们的广泛研究。但是，随着STT-RAM物理尺寸进一步减小，经典微磁模型已不能很好描述影响磁矩翻转的界面效应、热涨落效应，以及热辅助磁矩翻转等效应。虽然原子自旋模型可以解决此问题，但其计算量却非常巨大。本项目将基于原子自旋模型和多个GPU 并行计算技术，结合多尺度、多重网格、快速多极子等数值算法优势，开发在纳米尺度上高效处理实际磁存储系统的微磁仿真计算平台。基于此软件平台，(1)研究STT-RAM的材料性质、结构特征与系统热稳定性的关系，设计具有优良热稳定性的器件，并探讨其物理尺寸极限；(2)研究激光、微波等能量辅助式磁翻转方案STT-RAM静态和动态特性的影响，设计具有潜在应用价值的STT-RAM器件方案。本项目将为自旋转移矩在纳米磁电器件方面的应用提供理论依据。

本课题对纳米磁性材料的微磁分析方法和数值计算技术进行了深入的研究，并在此基础上开发了微磁分析程序。重点研究的对象是作为自旋转移矩–磁存储器（STT-MRAM）基本单元的磁隧穿效应结(MTJ)。针对各具有不同功能器件的MTJ单元，如磁存储，磁振荡器，和低噪声磁场探测器，建立了基于自旋电子学的宏自旋模型，和基于有限差分法的三维微磁学数字分析模型，并以此作为其磁矩静、动态过程的分析工具。对目前这一领域中的微磁计算技术的关键方法进行了研究并通过计算程序加以实施，包括多尺度建模、多重网格算法、快速多级 子算法等先进数值计算技术， 和GPU 的大规模并行化技术。开发出一套适用于磁性多层结构的微磁模拟的计算软件。并以此为平台， 对 STT-RAM 器件的磁矩翻转过程与磁性材料性质、结构形状，及热涨落之间的关系进行了探讨。该微磁计算平台可以用于STT-RAM磁存储器，磁振荡器，和磁场探测器的设计，探讨具有应用前景的磁电子器件的性能。针对一些具体的微磁分析问题与国际上已被采用的开源微磁仿真软件的结果做了比较。基于自主开发的计算软件，对MTJ磁震荡问题进行了深入探讨，研究了自旋极化电流与射频磁震荡的关系，特别是研究了零场震荡这个对纳米MTJ磁震荡器的应用具有关键性意义的问题。并对微波辅助磁写头，特别是对纳米自旋矩震荡器进行了微磁仿真并针对其对磁介质磁矩动态过程的影响进行了分析研究。在项目进行过程中，课题组追踪此领域的技术发展，对近期出现的利用自旋霍尔效应的磁性随机存储器(Spin Hall Effect –MRAM)的微磁学问题进行了分析研究。此外，对于具有潜在应用价值的新颖磁电子器件，课题组还对基于MTJ的传感器在微弱磁场探测方面的应用进行了初步的探讨。并取得一些结果。.通过本项目的实施，研究组掌握了纳米磁性材料微磁分析的技术与方法，积累了编写微磁计算程序的经验，并初步建立了基于GPU并行计算技术的微磁仿真的软、硬件平台，该平台可支持微磁-经典电磁场耦合问题的分析计算。课题组也初步建立了纳米磁性结构实验研究以及弱磁场探测试验的能力。通过本项目，一批从事纳米磁性器件及微磁分析与计算研究的科研人员得到了系统的培养和锻炼，其中包括青年教师，博士生和硕士研究生。项目执行期间，课题组累计发表科技论文18篇，申请发明专利6项，已授权4项，申请软件著作权1项。