（光学专业论文）磁性隧道结中电流诱导的磁化翻转模拟研究.pdf

硕十毕仲论文 摘要 摘要 1 9 9 6 年“自旋转移矩”效应的理论预言和2 0 0 0 年的首次实验证实被认为是 继“巨磁电阻效应”之后的又一里程碑式的新发现。当足够大小的极化电流垂 直流过纳米尺度的磁性薄膜器件时，极化电流产生的自旋转移矩将诱导磁矩振荡 甚至磁化翻转。在巨磁电阻器件( 三明治金属多层膜，自旋阀或磁性隧道结) 中 观察到的这种由电流诱导的磁化翻转( c i m s ) 效应为巨磁电阻型随机存储器( m r a m ) 提供了一种全新的写入新方法，这种电流直接写入的m r a | i i 有助于解决传统磁场 写入躲a l i 的诸多问题。本论文主要研究了磁性隧道结中由电流诱导的磁化翻转。 第二章我们简单介绍了本文所用的微磁模拟方法。第三章中我们将自旋转移 矩效应理论引入到我们自行开发的基于l a n d a u - l i f s h i t z 方程的微磁模拟程序 中，研究了纳米尺度低电阻磁性隧道结中电流诱导磁化翻转的动力学过程，观察 了磁化翻转的关键指标：临界翻转电流密度值，结果与实验报道相吻合；同时， 在电流驱动的磁化翻转回线中观察到临界电流不对称，并利用s l o n e z e w s k i 提出 的磁性隧道结中的自旋转移矩理论对其进行了合理解释。 第四章中，针对低电阻磁性隧道结，我们建立了“绝缘隧穿通道”和。欧姆 通道”并存结构模型，研究了势垒层中由h o t s p o t 弓i 起的纳米通道( n c c ) 非均匀电 流效应对自旋转移矩驱动的磁化翻转的影响。结果显示，由于h o t s p o t ( n c c ) 处电 流密度局域增大，使得局域自旋转移矩增大，从而导致i 临界翻转电流值降低。同 时发现临界电流密度随n c c 面积的增大而减小。为了探索翻转电流降低的物理机 理，我们设计了一个可观测的h o t s p o t ( n c c ) 结构，用“快照”的方式研究了自由 层磁化翻转的详细动态过程。结果表明，纳米通道非均匀电流通过局域电流密度 的提高来增强局域自旋转移矩效应，使h o t s p o t ( n c c ) 局域磁矩先行翻转，而后带 动周围磁矩翻转的微观物理机理。 同时，我们发现临界电流和翻转时间与h o t s p o t ( n c c ) 的大小和位置密切相 关：随着n c c 所占面积比例的增大，临界翻转电流降低，翻转时间加快；在相同 面积相同电流下，位于隧道结中心位置的n c c 更有利于降低翻转电流和翻转时间。 这一结果有望给出一种通过改变磁性隧道结的结构设计而降低磁化翻转电流的 有效方法。最后，我们初步讨论了电流产生的热效应对临界翻转电流的影响。 关键词：磁性隧道结，自旋转移矩，微磁学模拟，电流诱导磁化翻转效应 硕士毕业论文摘要 a b s t r a c t t h es p i n - t r a n s f e rt o r q u ee f f e c tp r e d i c t e db ys l o n c z e w s k ia n db e r g e ri n1 9 9 7a n d p r o v e di ne x p e r i m e n t si n2 0 0 0 h a sb e e nc o n s i d e r e d 越a n o t h e rm i l e s t o n ed i s c o v e r y a 栅t h eg i a n tm a g n e t o r e s i s t i v e ( g m r ) e f f e c t t h es p i np o l a r i z e dc u r r e n t f l o w i n g t h r o u g ham a g n e t i cl a y e r , e x e r t sas p i nt o r q u eo nt h em a g n e t i cm o m e n to ft h el a y e r a n di n d u c e st h em a g n e t i ce x c i t a t i o n so re v e nm a g n e t i z a t i o ns w i t c h i n gw h e nt h e c u r r e n tr e a c h e sac r i t i c a lt h r e s h o l dv a l u e t h ec u r r e n b i n d u c e d m a g n e t i z a t i o n s w i t c h i n g ( c i m s ) o b s e r v e di nm a g n e t i ct u n n e lj u n c t i o n s ( m t j s ) o rm e t a l l i cg m r p i l l a r ss u c ha ss p i nv a l v e sh a sb e e ns u g g e s t e da saw r i t i n gm e c h a n i s mi nh i g hd e n s i t y m a g n e t o r e s i s t a n c er a n d o ma e c , e s sm e m o r y ( m r a m ) ，i e ，s p i n - t r a n s f e rs w i t c h e d m r a b l ，w h i c hi sv e r yp r o m i s i n gt os o l v et h ep r o b l e m ss u c h 鹞s c a l m gi s s u e s 。c r o s s t a l k , h e a td i f f u s i o n , a n dp o o rr e l i a b i l i t ye n c o u n t e r e di nt h em a g n e t i cf i e l db a s e d m r a m i nt h i st h e s i s ，w ef o c u so nt h ei n v e s t i g a t i o no fc i m si nt h em a g n e t i ct u n n e l j u n c t i o n s a f t e ras h o r ti n o d u c f i o no fm i c r o m a g n e t i cs i m u l a t i o nm e t h o di nc h a p t e r2 ， s i m u l a t i o n sf o rt h es p i n t r a n s f e r - i n d u c e dm a g n e t i z a t i o n d y n a m j c s i nn a n o s c a l e l o w - r e s i s t a n c em a g n e t i ct u n n e lj u n c t i o n s ( m t j s ) a r ep e r f o r m e di nc h a p t e r3b yu s i n g t h em o d i f i e dl a n d a u - l i f s h i t ze q u a t i o ni nw h i c has p i n - t r a n s f e rm o d e lf o rm t j si s i n c l u d e d c a l c u l a t i o n ss h o wt h a tc r i t i c a ls w i t c h i n gc u r r e n td e n s i t y ( j c ) i sa b o u t - 1 0 7 a e r a z c o n s i s t e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a 饥as l i g h ta s y m m e t r yo ft h ec r i t i c a l c u r r e n to b s e r v e di nt h em a g n e t i z a t i o ns w i t c h i n gl o o pc a nb ee x p l a i n e dw e l lb yt h e a s y m m e t r yo f t h es p i n - t o r q u ef a c t o rf r o mt h es l o n c z e w s k it h e o r y i n c h a p t e r4 ，t h eh o t s p o t sm e d i a t e di n h o m o g e n e o u sc u r r e n tt h r o u g ht h e s o m e t h i n gl i k en a n o o l r r e n tc h a n n e l s ( n c c s ) e f f e c t s 叩t h es p i n - t r a n s f e r - i n d u c e d m a g n e t i z a t i o ns w i t c h i n ga r ei n v e s t i g a t e df o rl o wr e s i s t a n c em a g n e t i ct u n n e lj u n c t i o n s t w ok i n d so fs p i l lt o r q u et h e o r i e s ，o n ef o ro h m i c l i k ec o n d u c t i o nf r o mr a n d o m l y d i s t r i b u t e dh o t s p o t s ( n e t s ) a n dt h eo t h e rf o rt u n n e lc o n d u c t i o nf r o ma ni n s u l a t o r b a r r i e r , a r cc o m b i n e dt o g e t h e ri nt h i ss t u d yb yu s i n gap a r a l l e lr e s i s t o rm o d e l w ef i n d t h a tt h es p i n - t o r q u ea m p l i t u d ei sl o c a l l ye n h a n c e di nt h eh o t s p o t ( n c c ) r e g i o nd u et o t h el a r g ec u r r e n td e n s i t y ，w h i c hl e a d st oas t r o n gr e d u c t i o no ft h ec u r r e n ts w i t c h i n g t h r e s h o l dj c i no r d e rt og a i ni n s i g h ti n t ot h em e c h a n i s mo ft h ec r i t i c a lc u r r e n t r e d u c t i o n , s p i n - l r a n s f e r - i n d u e e dm a g n e t i z a t i o ns w i t c h i n gp r o c e s s e sa r ee v i d e n c e db y t h e “s n a p s h o t s ”o fm a g n e t i cc o n f i g u r a t i o n sf o rj u n c t i o n sw i t hh o t s p o t s ( n c c s ) 硕士毕业论文 摘要 s i m u l a t i o n ss h o wt h a tt h ee n h a n c e ds p i n - t o r q u ei n d u c e st h el o c a lm a g n e t i z a t i o nn e a r t h eh o t s p o t ( n c c s ) s w i t c h i n gf i r s t , a n dt h e nd r i v e st h es w i t c h i n gs p r e a d i n gt h r o u g h t h ew h o ef r e el a y e r i na d d i t i o n , t h es w i t c h i n gb e h a v i o r sa l ef o u n dt ob ec l o s e l yr e l a t e dt ot h eh o t s p o t ( n c c ) s i z ea n di t sa c t u a ll o c a t i o n b o t ht h es w i t c h i n gt i m eta n dc r i t i c a ls w i t c h i n g c u r r e n td e n s i t yj cd e c r e a s e 、“t ht h ei n c r e a s eo f n c cs i z e f a s t e rs w i t c h i n ga n dl o w e r j ca l go b s e r v e df o rn c ci o c a t e ( ii nt h ec e n t e r t h i sw o r ks u g g e s t sar e a s o n a b l ed e s i g n f r a m et oe f f i c i e n t l ym a n i p u l a t et h ej cr e d u c t i o na n df a s t s w i t c h i n gi np r a c t i c a l s p i n - t r a n s f e r - s w i t c h e dd e v i c e s f i n a l l y ，t h ec u r r e n ts e l f - b e a t i n ge f f e c to nt h et h r e s h o l d o f t h es w i t c h i n gc u r r e n ta l ed i s c u s s e d ， k e yw o r d s ：m a g n e t i ct u n n e l j a n c f i o n s ，s p i n - t r a n s f e rt o r q u e ，m i c r o m a g n e t i c s i m u l a t i o n , c u r r e n t - i n d u c e dm a g n e t i z a t i o ns w i t c h i n g 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除 了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的 研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明 并表示了谢意。 作者签名：弛日期：盈丑：监 论文使用授权声明 本人完全了解复旦大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此 规定。 作者签名：鸯幽导师签名：盈睡笠。日期：2 绍2 ：堡 硕十毕业论文第一章引言 第一章引言 目前，磁电子材料领域中一个重大进展是电子的自旋特性被开发利用 1 - 8 ， 已发展出许多基于电子自旋和传统微电子学相结合的新一代自旋电子器件。1 9 8 8 年发现的巨磁阻效应( g i a n t m a g n e t o r e s i s t a n c e ；g m r ) 9 ，1 0 被认为是现代物理 技术成功走向市场应用最为神速的成功范例之一，它从物理发现、到材料制备、 直至最后g m r 磁读出头器件商品产业化仅用了1 0 年左右时间。1 9 9 6 年。自旋 转移矩”效应的理论预言 1 1 ，1 2 和2 0 0 0 年的首次实验证实 1 被认为是继“巨 磁电阻效应”之后的又一里程碑式的新发现，其重要之处在于，提供了一种无 需磁场、而仅依靠电流来实现调控磁性薄膜磁化方向的新方法。预计将在巨磁电 阻随机存储器( m a g n e t o r e s i s t i v er a n d o ma c c e s sm e m o r y ；m r a m ) 的数据写方 式上带来重大变革，进一步推动了自旋电子学的高速发展。 1 1 多层膜的巨磁电阻效应 1 1 1 自旋阀结构中的巨磁电阻( g 撇) 效应 巨磁电阻( g m r ) 现象最早发现于1 9 8 8 年，b a i b i c h 等人在低温下的反铁磁 耦合的f e c r 多层膜中发现了5 0 左右的磁电阻变化率 9 。由于被c r 层分开的 f e 层之间存在反铁磁耦合，它们的磁矩方向反平行，这种情形下多层膜处于高 阻态。通过施加足够强的外场克服反铁磁耦合后，f e 层的磁矩都会沿外场方向 平行捧列，这种情形多层膜处于低阻态。这种通过施加外场而使相邻铁磁层磁矩 的相对取向发生变化，从而引起电阻变化的效应就称之为巨磁电阻效应。 巨磁电阻习惯上定义为 脚：竺x l o o ：血二盘! x 1 0 0 ( 1 1 ) r r t t 式中墨，r t t 分别表示磁性层反平行态与平行态时的电阻。 金属多层膜中的巨磁电阻效应源于传导电子自旋相关的散射，其物理机制可 以用m o t t 提出的双电流模型很好解释【1 3 】。在这种多层膜结构中，磁性层间的 磁矩反平行是通过反铁磁耦合实现的，通常需要施加很大的外场来克服这种耦 合，因此饱和常很高，不利于实际应用。 为了降低饱和场，多层膜薄膜材料被自旋阀或磁性隧道结结构代替。图 1 1 ( a ) 给出了一个典型的自旋阀( s p i n v a l v e ，s v ) 结构：反铁磁性交换层磁性钉 扎层非磁性金属或者氧化物层铁磁自由层。反铁磁层与它近邻的磁性层在界面 硕士毕竹论文 第章引言 处存在较强的反铁磁耦合，从而可使得该铁磁层中的磁矩被钉扎在某个固定的方 向，因此习惯上称该铁磁层为被钉扎层( p i n n e dl a y e r ) 。另一铁磁层的磁矩是自 由的，只要施加一比较小的外场就可以改变其磁化方向，从而使得样品的阻值发 生变化，这一铁磁层被称为自由层( f r e el a y e r ) 1 4 。这种自旋阀结构使得饱和 场大大降低，目前已广泛应用于各种硬盘读磁头中 1 5 ，1 6 图1 1 ( a ) 自旋阀结构( b ) 隧道结 1 1 2 磁性隧道结的隧道巨磁电阻佃崃) 效应 图1 1 ( b ) 给出了一个典型的磁性隧道结( m a g n e t i ct u n n e lj u n c t i o n ，m t j ) 结构 1 4 ，与g m r 自旋阀不同的是中间的非磁性层为绝缘层，它的效应与g m r 相似，两铁磁层平行和反平行时分别呈低、高两种阻态，被称为隧道巨磁电阻效 应( t 硼i ) 1 7 2 0 。这种隧道巨磁电阻来源于自旋相关的电子隧穿效应，具体来说， 就是在上述绝缘层三明治结构中，在两铁磁层中施加电压，垂直流过该结构的电 流大小会因两铁磁层取向不同而不同，如图1 2 所示。 p a r a l l e i m a g n e t i z a t i o n s om 8 凹8 t 咕1 l mo i! i n s u l a t o rl m a g n e t i cf i l m h i g h e r t u n n e l i n g c u r r e n t a n t l p a r a l l e i m a g n e t 眨a t i o n s m a g n e t i c 纠m 一 i n s u l a t o r t m a n n e t l cf i l m l o w e r t u n n e l i n g c u r r e n t 图i 2 隧道磁电阻效应 一般岍j 中问的绝缘层非常薄，电子能够隧穿反映了电子的波动性，只能用 量子力学的原理解释。其机制为：如果两个铁磁层内的磁矩平行，则绝缘隧穿层 2 硕士毕业论文 第章引言 两边电子自旋向上和自旋向下的态密度各自对应相等，电子隧穿机率高，隧道结 电阻小；反之，两铁磁层内的磁矩反平行，两边自旋向上和向下的态密度都不平 衡，电子隧穿机率低，隧道结电阻大，如图1 3 所示。与自旋阀相比，磁性隧道 结器件具有磁电阻率高，阻值可调、电阻大小与半导体工艺兼容等特点，它正在 并将会在高灵敏度磁性传感器、高密度磁记录读头和磁电阻型随机存储器等方面 取代g m r 器件 2 卜2 4 。 a n 佃a c a l l e lm a g n e t i z a t i o n s 图1 3t m r 隧穿机理示意图 1 2 巨磁电阻型随机存储器 巨磁电阻效应除前面提到的读头应用之外，它的另一重要应用是巨磁电阻型 随机存储器( m a g n e t o r e s i s t i v er a n d o ma c c e s sm e m o r y ) ，也被称为磁性随机存 储器( m a g n e t i cr a n d o ma c c e s sm e m o r y ) ，都简称为m r a m 。m r a m 是一种利用具高 敏感度的磁电阻材料所制造的非挥发性( n o n - v o l a t i l e ) 内存。表l - 1 列出了目 前几种存储器的优缺点比较。 以磁性隧道结( m t j ) 材料作为记忆单元而制成的磁性随机存储器( m r a m ) 是一 种不挥发( n o n v o l a t i l e ) 储存器，其特点在于它几乎兼具了目前市场上各种存 储器产品的优点：它不仅具有闪速存储器( f l a s h ) 的非挥发特性( 即断电后信息 不丢失) ，而且在写入或读取速度( 约1 0n s ) 上可与静态随机存储器媲美，其 记忆容量可与动态随机存储器相抗衡，另外还具有相当高的读写次数、抗腐蚀等 特性。因此被公认为是极具发展潜力，有机会取代d r a m ，s r a m 等所有半导体内 存的新一代内存，而备受市场注目 2 5 。躲a m 将广泛应用于数字消费类产品， 例如手机、移动设备、笔记本型电脑、个人计算机，甚至国防等方面。m r a m 的 近期目标是替代移动产品如手机、数码相机内的闪存，主要有几种形式动态随机 3 硕士毕业论文 第章引吉 存储器( d r a m ) ，静态随机存储器( s r a m ) 和闪速存储器( f l a s h ) 。如将m r a m 与他们 做比较在“非挥发性”特色上，目前仅有m r a m 及f l a s h 具此功能；而在“随机 存取”功能上，则f l a s h 欠缺此项功能，仅m r a m 、d r a m 、s r a m 具备随机存取优 点。就“读取速度”而言，m r a m 及s r a m 的速度最快，d r a m 属于中级速度，相较 之下f l a s h 的速度最慢在写入次数上，m r a m 、d r a m 以及s r 心则都属同一等级， 约可写入无限次的记忆，而f l a s h 则写入次数有限。至于“芯片面积”的比较， m r a m 与f l a s h 同属小规格的芯片，所占空间最小，d r a m 的芯片面积则是属于中 等规格，s r a m 更是属于大面积规格的芯片，其所占的空间最大。在嵌入式设计 规格方面，d r a m 、s r a m 、f l a s h 同属良率低、须增加芯片面积设计规格；而m r a m 则是拥有性能高、不须增加芯片面积的特殊设计；最后在耗电量相比较，只有 m r a m 以及s r a m 拥有低耗电的优点，f l a s h 则是属于中级的耗电需求，至于d r 圳 更是具有高耗电量的缺点。因此，被公认为是极具发展潜力，有机会取代d r a m ， s r a m 等所有半导体内存的新一代内存，而备受市场注目 2 5 2 0 1 0 年后则以取 代高性能的d r a m 为主要目标。 妇v a l ，t d en o两撕 伽协l知 b 由f 珊w r g e f e 耐 x ii 1 0 6 * l o ，* j o l 2 ，l o l 2 1 0 1 2 n - d e m 世m t 脚嘞h l 乜| ih括y e s d 删讲考w 地t 打，匆胁，扣 y e s i 知 s i 叫jm 砌i 0 0 - 2 0 0 m v1 0 02 0 0 血_ rjc 啦删t 0 - 1 0 0 r 2 ) - 4 0 * a r1 0 0 - 2 0 0 m 3 , w n 蝴k * a d5 0 a s5 0 m 缸缸“ 彻i 嘶2 缸，缸3 0 a s 8 缸s er埒，0m8 m1 - l o o m st b l 。吐) ! o 世 3 恤 9 0 m t f 蜘函吖p 吲h 咖口 l 泔m 曲i l l 乒虹笋a t v ) l l i 曲王i i 曲| 王乒 s c 山曲曲h 哺c 叩m 蚺6 1 n u 蛔1 h 柚d 啦i d e h - x g l i d m c 删d d h 卸c 訇c n 啊 蝴m n on on o c a q _ 叫hs a m u a b 氟m ，伽捌o 口啊劓b 峨r 山r 缸血 m l c 啪i 卧i a m dt 啦i 皿、l - i a 丑m a as v m e m x h 、皿c f 嘲f 啡n u盯、h 啪h 嘶忡u n e c 表1 1 胍a i 与其他存储器的比较 图1 4 是自旋隧穿磁电阻型随机存储器的结构示意图。隧道结单元阵列构成 m r 棚的主体，它的两个电阻状态用来记录二进制数字信息。隧道结单元位于上 下正交的电流导线之间：隧道结上面的导线为位线( b i tl i n e ) ，隧道结下面有 通过一层电极与隧道结接触的三极管，一系列的字线( w o r dl i n e ) 连接三极管 的栅极来控制隧道结单元的读取，隧道结下面是与其绝缘的数据线( d i g i t l i n e ) ，它与位线一起实现对特定隧道结记录单元的写入。对于构成m r a m 主体的 每个记录单元，可以由磁电阻( m a g n e t o r e s i s t a n ce tm r ) 效应的自旋阀器件( s v ) 或者磁性隧道结( m t j ) 构成 1 4 。 4 硕t 毕帅论文 镐漳引言 图1 4 自旋隧穿磁电阻型m r a m 的结构示意图 1 3 巨磁电阻效应和m r a m 的信息读取机理 图1 5 ( a ) 存储基本单元和读取机理示意图( b ) 存储单元状态图 作为存储器件豫a h f 首先要实现的是每个存储单元。0 ”、。1 ”的表达。图1 5 给出了存储单元基本二进制数据的表达方式和读取方式。图中给出了m r a m 基本 单元( c e l l ) 的三明治结构图当电流通过单位记忆单元时，根据磁电阻的状态 不同则所产生的输出电压k 。亦不同。如图1 5 ( b ) 所示，当两铁磁性层的磁化方 向为平行排列时。因磁电阻低故k 较低；而两铁磁性层的磁化方向为反向排列 时，磁电阻较高所以k 。较高。根据k 。的高低状态的不同便能判断单位记忆单 元所储存的数据为”1 ”或”0 ”，这就是慨a m 的读取机理。器件单元的具体读取 机理结构如图1 6 所示。 1 4 传统的m r a m 的信息写入机理 上面介绍了利用磁电阻效应实现帅a m 的信息读取机理，而m r a m 的数据信息 的写入目前主要提出了两种方案：磁场驱动磁化翻转法和电流直接驱动法。前者 硕f j 毕业论文 第章引言 为较为传统的m r a m 的信息写入方案，方法是利用现有的c o m s 技术和简单的电流 产生磁场的原理。如图1 4 所示，通过两条互相垂直的电流线来产生v o r t e x 磁 场，利用h a l fs e l e c t i o n 的原理实现改变自由层的磁化方向，这种写入方式被 称之为磁场诱导磁化翻转( f i e l di n d u c e dm a g n e t i z a t i o ns w i t c h i n g f i m s ) 1 4 。 图1 6m r a m 的读写机理 图1 6 所示的是图1 4 中一个记录单元( 即一个m t j ) 的读写机理。在图1 6 ( a ) 中，三极管导通，测试电流垂直流过m t j ，读取t w r 阻值来判断自由层的信息； 当三极管关闭时，位线( b i tl i n e ) 与字线( w r i t el i n e ) 同时加电流产生磁场，合 磁场使自由层磁化翻转。这种写入机制首先是三端电流设计，使得m r a m 的结构 十分复杂，同时，在双电流选择写入单元时，为保证写入不影响到其他单元，m r a m 设计时记录单元的间距不能太小，以防止出现紧邻单元间的交叉影响 ( c r o s s t a l k ) 问题，而这一点势必限制了记录单元的密度，如图1 7 所示。由 于这些原因，使得目前商业化的m r a m 产品存储密度比较低，很难与其它存储器 产品竞争。因此，很有必要寻找一种新的写入模式，来提高m r a m 的存储密度。 图1 7m r a m 选择记录单元写入机理 6 硕士毕业论文第一章引言 1 5 自旋转移矩效应和电流直接驱动磁化翻转( c i k s ) 的写入方案 1 9 9 6 年，s l o n c z e w s k i 和b e r g e r 在理论上分别预言了自旋转移矩效应 ( s p i n - t r a n s f e rt o r q u e ，0 1 s p i n - t o r q u e ) ，不但给出了一个全新的物理概念， 同时也给m r 心提供了一种全新的写入方式 1 l ，1 2 。他们认为当自旋极化电流通 过磁性材料时，电流中的自旋电子会对费米面附近电子产生影响，使原子磁矩或 宏观上磁性薄膜磁化矢量发生改变。 图1 8 白旋转移矩效应 图1 8 是一个自旋转移矩效应的简单卡通图像：对于一个三明治结构的磁性 多层膜，其中一层的磁矩方向被固定，称为参考层( r e f e r e n c el a y e r ) ，另一层 磁化方向在磁场或自旋极化电流作用下容易改变，为自由层( f r e el a y e r ) ；如 图1 8 ，当一束电子从左向右方向流入时，在参考层里，自旋方向与参考层磁化 方向一致的电子比自旋方向相反的电子更容易通过，这样的结果是经过参照层后 产生了与参照层磁矩方向一致的被极化电流；当自旋极化电子经过金属层( 或超 薄势垒层) 到达自由层时，在界面处，自旋方向与自由层磁矩一致的电子进入自 由层，并会对自由层的磁矩产生一种力矩，该力矩的作用是使自由层的方向转向 与参考层平行方向；同时与自由层磁化方向相反的电子被反射回再次进入参考 层，同样也会产生个使参考层试图转动的力矩( 如图1 8 左所示) ，但由于参考 层磁矩方向已被钉扎住，该力矩不能转动参照层：因此最终的结果是两磁性层磁 化方向将趋向于平行排列。反之，当电流反向。由右向左流入时，电子经过自由 层后被极化成与自由层方向一致的极化电流，极化电流在界面处发生类似的透射 和反射，并在两铁磁层中产生相应方向的力矩( 如图1 8 右图所示) ，同样由于参 考层被钉扎，方向不易被改变，因此最终结果是使自由层磁矩方向远离参考层方 7 硕士毕业论文 第章引肓 向，两铁磁层趋向反平行排列 2 6 s l o n c z e w s k i 认为足够大的电流会使自由层 磁化翻转，并分别在1 9 9 6 年和2 0 0 5 年给出在电流垂直膜面巨磁电阻( c p p - g m r ) 自旋阀和磁性隧道结( m t j ) 中自旋转移矩的理论模型 1 1 ，2 7 ，而b e r g e r 认为在 更大电流作用下这样的力矩作用会使自由层磁矩不稳定，震荡激发自旋波 1 2 2 0 0 0 年的首次实验发现充分证实了他们的理论预言。图1 9 给出了垂直流 过自旋阀或隧道结三明治结构的极化电流导致样品电阻发生变化的曲线图，证实 了电流诱导的自由层磁化翻转或自旋波激发效应 2 8 - 3 0 】。 图l - 9 实验中自旋转移矩效应诱导磁化翻转和激发自旋波 自旋转移矩效应的发现，被认为是继“巨磁电阻效应”之后的又一里程碑 式的新发现，其重要之处在于，提供了一种无需磁场、而仅依靠电流来实现调控 磁性薄膜磁化方向的新方法，可对m r m 写入机制简化为直接电流写入方式，同 时点对点的设计自然解决了紧邻单元间的交叉影响( c r o s s - t a l k ) 问题，有利于 存储密度的提高。图1 1 0 给出了这种c i m s 的两端电流嘛a m 的基本结构。 图1 1 0 基于c i m s 的两端电流m r a m 的结构 8 硕士毕业论文 第章引言 1 6 小结 本章以磁性随即存储器为中心，介绍了m r a m 读取的两种物理机制一巨磁 阻效应( g 脓) 和隧道磁阻效应( t m r ) ，以及m r a m 两种写入方式一场诱导( f i m s ) 和电流诱导( c i m s ) 的结构和物理机制。目前，在磁性隧道结中( m t j ) 的c i w s 课题 已经引起广泛的关注 3 1 3 6 ，因此本文选取在t m r 效应的磁性隧道结中电流诱 导磁化翻转这一现象和理论，进行了理论模拟，并在理论上提出了对该器件的改 进。 9 硕士毕忡论文第_ 章微磁学和数值模拟方法 第二章微磁学和数值模拟方法 2 1 铁磁材料的微磁学基础 3 7 随着计算机性能提高，利用微磁模拟来研究磁性材料已经成为磁性领域研究 的一个重要组成部分，微磁学模拟可以使人们在原子尺度上了解材料的磁性，在 微观与宏观之间建立起重要的桥梁作用。一方面，它可以揭示磁性材料内部的磁 矩分布，磁畴的动态演化过程，比如磁畴的形成、传播、收缩和移动等，从而反 映出成核和磁化翻转的机理，得到材料的宏观磁性质和相关物理量；另一方面， 通过微磁模拟还可以对一些自旋电子新型器件的性能进行优化设计，这一点已在 各种磁性传感器、计算机硬盘及其读头、脓a m 等研发过程中得以证实。 在磁化过程中，交换作用能、磁晶各向异性能和退磁能( 静磁能) 是必须考 虑的三项能量，如果能将这些能量作为微扰加入海森堡( h e i s e n g e r g ) 哈密顿量中 然后用量子力学的方法求解的话当然最好，但是，即使在不附加实际存在的其它 能量项的情况下，也必须对各项作相当粗略的近似才能求解。所以，目前的方法 是采用连续介质的经典物理方法处理问题。该理论最早由布朗( w f j r b r o w n ) 在1 9 4 0 - 1 9 4 1 年提出，他以连续变化的磁化强度描述磁畴磁矩的变化，而不是逐 一考虑单个原子的磁矩，b r o w n 将该理论命名为“微磁学”。这种经典处理方法 表现在用经典矢量代替自旋，磁矩矢量在空间连续分布，在有效场( h r f ) 的作用 下，通过求解自由能最小化的b r o w n 静态方程铁磁材料中磁矩分布，或者通过 l a n d a u l i f s h i t z 动态方程获得磁化的动力学过程。无论是哪一种求解的目的和 方法，首先需要的就是微磁学中各项能量的表述。 2 1 1 铁磁材料内相互作用能 3 8 ，3 9 描述铁磁物质的磁学性质和磁化过程通常需要考虑四项基本能量的不同效 应，包括： 磁场能( z e e m a ne n e r g y ) ：磁体受外磁场作用所具有的能量； 交换能( e x c h a n g ee n e r g y ) ：磁体中磁偶极子之间的量子力学相互作用所具 有的能量； 各向异性能( a n i s o t r o p i ce n e r g y ) ：由晶体场与轨道电子之间的相互作用、 电子的轨道磁矩与自旋磁矩间的作用的耦合效应产生的能量； 退磁场能( d e m a g n e t i z i n ge n e r g y ) ：也可称之为静磁场能( m a g n e t o s t a t i c e n e r g y ) ：铁磁体被磁化后其表面或内部不均匀处将产生磁荷，磁荷在铁磁体内 所产生的磁场为退磁场，退磁场与铁磁体磁化强度的作用即为退磁场能。 l o 硕l 毕论文第一章微磁学和数值模拟方法 下面对这些不同的能量进行比较详细的描述： ( 一) 外磁场能( z e e m a ne n e r g y ) 根据连续介质电动力学的热力学相关理论，l a n d a u 和l i f s h i t z 给出了外磁 场玩和介质磁化强度露的相互作用能： e z = 啪【厨再。 ( 2 1 ) 根据铁磁物质的原子偶极模型，一个铁磁体原子的偶极矩可以表示为： = g 地s ( 2 2 ) 式中g 朗德因数( l a n d e ef a c t o r ) ，地是波尔( b o h r ) 磁子，s 是单位自旋矢量， 表征了磁偶极子的方向性。这样根据2 1 式，当有外磁场曰。存在时，磁偶极子 将趋向于外场见的方向排列来降低能量。当偶极子向外场移动角度口时，所 需要的能量为： e z = - j h a = 吖村。c o s ( o ) ( 2 3 ) 所以对于体积为v 具有。个原子的铁磁体的外磁场能为2 3 式的求和： z z = 一一h o ( 2 4 ) 对于连续介质的近似，则有： 易= f e ：d 矿= 啪f 麝成 ( 2 5 ) ( 二) 交换能( e x c h a n g ee n e r g y ) 材料铁磁结构自发磁化的形成主要取决于它本身原子直接的交换作用，这种 量子效应的交换作用来自于考虑电子标识的系统波函数的交叠，交换能便来源于 这一交叠区域。这种能量以磁化强度厨对坐标的导数形式表示为： 1 1 2 e 刊f 。邑，剜 q 6 式中a 是邻近格点电子间的交换积分平均值。 根据磁有序量子理论，铁磁体中的邻近原子将在自旋相互作用下与邻近的原 子保持能量最低的一致状态，海森堡( h e i s e n g e r g ) 模型将一对自旋态为墨和s ， 的邻近原子之间的交换能表示为： 巳= - 2 j v s , 蜃， ( 2 7 ) 式中墨和j ，是电子的自旋矢量算符，山是两原子间的交换常数，它来源于原子 间波函数的交换积分，因此具有能量的单位。通常，我们取某均匀材料中原子间 的交换积分为一个平均的常数，来。对于铁磁材料， 0 ，根据2 7 式中的点乘 硕士毕业论文第_ 幸微磁学和数值模拟方法 关系，s 和s 自旋平行排列是能量最低；对于反铁磁材料， 3 0 时2 n s 就足以实现磁化翻转。 这种局域自旋转移矩增强效应可以在图4 9 ( b ) - ( g ) 中直观的看到。图4 9 ( b ) 一( g ) 是在磁化翻转过程中2 n s 时刻的磁化构型，从图中可以看到，这时占= 嘴的情况 还保持在反平行状态：而对j = 4 4 的情况，基本上所有的磁矩都翻转了；对于 艿= 6 - 3 3 的情况，虽然整体还没有实现翻转，但h o t s p o t 对应的自旋转移矩效 应增强区域已经磁化翻转，其临近的区域磁矩也开始转动，而较远的区域还没有 受到影响。这一点和我们在图4 9 ( a ) 中观察到的在o - 2 n s 磁化部分翻转现象一 致，在o - 2 n s 间z 方向的磁化强度从- 1 ( 反平行态) 到0 6 j ，这是由于电流密 度局域增强部分自旋转移矩大，部分先翻转导致z 方向的平均磁化强度有这样的 一个变化。自由层在形成这样一个磁畴后，通过交换作用畴壁扩展延伸至整个自 由层磁化翻转。 4 6 纳米通道位置的影响 从4 2 节中图4 6 b 可以看出。误差棒暗示着随机生成的不同构型的h o t s p o t 对临界电流有着一定的影响。这说明h o t s p o t 的所在位置，也就是自旋转移矩效 应局域增强的位置对磁化翻转和临界电流有着影响。 图4 1 0 不同随机数种子在相同6 和相同电流密度下不同的磁化构型 为了证实这一点，我们做了如下模拟：在相同h o t s p o t 数量和相同电流密度 的条件下，选取三组不同的随机数来确定h o t s p o t 的位置不同。模拟结果发现磁 硕士毕业论文 第四章纳米通道非均匀电流效应降低翻转电流研究 化翻转的时问不同。图4 1 0 b 画出了磁化矢量z 方向分量为0 时刻时记录下的三 种情况下的磁化状态分布，可以清楚看出他们的磁化过程不同。由于无法找到随 机生成的每一个点，所以并不能说明图中翻转的区域都存在h o t s p o t 只能表明 该区域生成的h o t s p o t 点相对集中一些。 为了进一步澄清h o t s p o t 位置对磁化翻转和临界电流有影响，我们研究了一 个尺寸为2 0 n m 3