（凝聚态物理专业论文）磁记录用软磁薄膜材料的微磁学模拟研究.pdf

中文摘要 摘要 软磁薄膜是硬盘读磁头和磁阻随机存储器( m r a m ) 中构成巨磁阻多层膜 ( g m r 或t m 鼬的主要组成部分。因为现在硬盘信号频率为1 g h z 左右，而 m r a m 被认为是极富前景的存储器，所以本文利用微磁学模拟的方法对感应式 薄膜磁头极尖用f e a l n 材料磁导率的高频响应和m r a m 中一个存储单元的存储 性能进行了研究。 我们的研究对象是介观纳米晶软磁薄膜。因此我们在详细分析软磁薄膜各 向异性场形成机理的基础上，采用随机各向异性模型，选取交换长度尺度上的 团簇来代替纳米晶粒作为微磁学研究的基本单元。模型中仔细考虑了薄膜内和 薄膜间的静磁相互作用，并分别用来模拟薄膜磁头的极尖部分和m r a m 中隧道 结的多层膜结构。 在用微磁学模拟去研究和分析磁畴模式与初始磁化率关系的工作中，我们 选取了非常宽的频率范围。我们给出了不同外场下不同磁畴模式磁化率的变化 情况，而且还通过对非线性l a n d a u l i f t s h i t z g i l b e r t 方程的分析对模拟结果进行 了简单的讨论，我们得到低频磁导率与平均水平磁化强度的大小关系，还解释 了共振频率的本质。 在关于m r a m 单元的存储性能的工作中，我们采用合成反铁磁钉扎层能够 有效的使磁路在两层c o 内闭合，从而使两层c o 对自由层f e c o n i 薄膜的退磁 作用相互抵消。我们研究了自由层薄膜的厚度、长宽比( a s p e c tr a t i o ) 与翻转 场的关系。所得到的结果我们通过与s t o n e r - w o h l f a r t h 模型的比较，以及研究其 翻转过程得到了较深入的分析。我，r 1 ：4 研究了自由层薄膜的面积与m r a m 存储 性能的关系。 关键词：介观软磁薄膜，微磁学，f e a i n ，薄膜磁头的高频响应，m r a m a b s t r a c t a b s t r a c t s o f t m a g n e t i c t h i nf i l m sa r et h e p r i n c i p l e m a t e r i a lo ft h e c o m p o s i t er e a d w r i t e m a g n e t i ch e a d i nt h eh a r dd i s k d r i v e s t h e y a r ea l s ot h em a i np a r t si n “g i a n t m a g n e t o r e s i s t a n c e ”m u l t i l a y e r s i nm a g n e t i cr a n d o ma c e e s sm e m o r y ( m r a m ) b e c a u s et h es i g n a lf r e q u e n c yo ft h ep r e s e n th a r dd i s ki sa r o u n d1g h za n dm r a mi s an e wa n dp r o m i s i n gm e m o r y , i nt h i s t h e s i s m i c r o m a g n e t i cs i m u l a t i o ni s u s e dt o s t u d yt h eh i g h f r e q u e n c yr e s p o n s ei nt h ep o l e t i po fi n d u c t i v et h i nf i l mh e a d ，a n dt o s t u d yt h es t o r a g ep r o p e r t i e si nam r a m c e l la sw e l l 1 nt h i st h e s i s w ef o c u so n m e s o s c o p i cn a n o c r v s t a l l i n es o f tm a g n e t i ct h i nf i l m s b a s e d o nc a r e f u la n a l y s i so nt h ea n i s o t r o p yf i e l dm e c h a n i s mi ns o f tm a g n e t i ct h i nf i l m s r a n d o m a n i s o t r o p ym o d e l ( r a m ) i s i n t r o d u c e df o ru st oc h o o s ec l u s t e rw i t ht h es i z e o fe x c h a n g el e n g t ha ss i m u l a t i o ne l e m e n ti n s t e a do fn a n o c r y s t a l l i n eg r a i n i no u r m o d e l m a g n e t o s t a t i ci n t e r a c t i o nb e t w e e na n dl nt h i nf i l m si sc a r e f r u l l yc o n s i d e r e di n o u rs i m u l a t i o no nt h eh i g h f r e q u e n c yr e s p o n s ei nt h ep o l e t i pi na ni n d u c t i v et h i nf i l m h e a da n do nt h em u l t i l a y e rs t r u c t u r eo f m a g n e t i ct u n n e lj u n c t i o nr m t j ) i n m r a m i nt h ew o r ko fs t u d ya n da n a l y s i so nc o r r e l a t i o no fd o m a i np a t t e r n sa n dt h ei n i t i a l p e r m e a b i l i t yb ym i c r o m a g n t i cs i m u l a t i o n ，v e r yw i d ef r e q u e n c yr a n g ei sc h o s e n w e g i v et h er e s u l t so f h o w p e r m e a b i l i t yv a r i e sw i t he x t e r n a if i e l d sa n dd o m a i np a t t e r n s t h o s es i m u l a t e dr e u l t s8 1 ea n a l i z e db yl a n d a u l i f s h i t z g i l b e r te q u a t i o n a tl a s t w e g e tt h es c a l i n gl a wo fl o w f r e q u e n c yp e r m e a b i l i t yv e r s u sh o r i z o n a lm a g n e t i z a t i o na n d i n t e r p r e tt h ei n t r i n s i cn a t u r eo f r e s o n a n c ef r e q u e n c y i nt h ew o r kc o n c e r n i n gs t o r a g ep r o p e r t i e si nam r a mc e l l w ei n t r o d u c ec o m p o s i t e a n t i f e r r o m a g n e t i cp i n n e dl a y e r s t om a k et h em a g n e t i cp a t hc l o s e db e t w e e nt w o l a y e r so fc o a sar e s u l t ，d e m a g n e t i ci n t e r a t c t i o n st h a tt w ol a y e r so fc og i v et o f e c o n it h i nf i l mi sn e u t r o n i z e d w es t u d yt h ec o r r e l a t i o no f s w i t c h i n gf i e l dw i t ht h e t h i c k n e s sa n da s p e c tr a t i oo ft h ef r e el a y e r o u rr e s u l t sa r ed e e p l ya n a l i z e dt h r o u g h c o m p a r i n g t h e mw i t hs t o n e r w o h l f a r t hm o d e la n ds t u d y i n gt h es w i t c h i n gp r o c e s s i n a d d i t i o n ，t h es t o r a g ep r o p e r t i e sa r ea l s os t u d i e dv e r s u st h ea r e ao f t h ef r e el a y e r k e yw o r d s ：m e s o s c o p i c s o f t m a g n e t i c t h i n f i l m ，m i c r o m a g n e t i c s ，f e a i n h i g h f r e q u e n c yr e s p o n s ei nt h i nf i l mh e a d ，m r a m i i 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行 研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、 数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成 果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：焦! 璺垫e t 期：垫! ：! ：1 2 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属兰 州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同意学 校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被 查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本 人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：焦园型导师签名：复骛丝日期：兰! ：! ：! 第一章微磁学基础 第一章微磁学基础 微磁学从一个巧妙而实用的角度来考察磁体内的磁性质和磁行为，它所研究 的基本单元的尺度介于原子与磁畴之间。一方面，这个尺度要足够小，从而能反 映出磁畴间磁矩过渡的状态，这相对于以畴壁为对象进行的研究要细致精确；另 一方面，这个尺度又要足够大，从而能以连续的磁化强度矢量为研究对象，而不 是分立的原子磁矩。概括说来，微磁学理论的基本假设是【1 】： 在给定温度下，磁体的磁化强度矢量厨是位置的连续函数，并且其大小在 整个材料中保持不变。而自发磁化的过程不属于微磁学的研究范围。 在此基础上，通过求解磁体内能量的最小值，可以得到磁体的磁化状态和磁 滞回线：通过求解磁矩的运动方程，可以得到磁体内磁矩的反转机制( r e v e r s a l m e c h a n i s m ) 。对于计算中所必需的参数，如饱和磁化强度 磊和各项异性能常数 髟- 等，则根据实验数据给定，计算所得到的结果也要通过与实验数据比对来验 证。此方法巧妙的绕过了磁学中对磁体自发磁化机制尚不清楚的难题。 1 9 3 5 年，l a n d a u 和l i f s h i t z 首先对磁畴壁进行了计算，这是微磁学的开端。 1 9 5 7 年，形核场( n u c l e a t i o nf i e l d ) 理论的出现，使微磁学得到了关注。1 9 6 3 年， b r o w n 出版了( ( m i c r o m a g n e t i c s ) ) 一书，对微磁学理论进行了详细的介绍。到了 上世纪8 0 年代中期，大规模电子计算机计算能力的提高使得微磁学能够借助计 算机模拟来研究更为广泛和更为细致的磁现象。与此同时，微磁学在飞速发展的 信息存储材料和技术中找到了用武之地。它能够细致、快速、廉价的研究信息存 储领域内的磁现象，讨论各个材料、技术参数对存储性能的影响，帮助信息存储 技术找到合适的改进方向。微磁学模拟已经成为信息存储工业领域中不可或缺的 研究手段。 伴随着信息存储系统密度的不断提高，磁存储器件的尺寸越来越小，现已接 近纳米量级。在此基础上，介观微磁模拟蓬勃发展起来。传统的微磁模拟将磁体 分隔成微小单元，每个微元内的磁矩被视为是一致的，通过研究微元的磁矩运动 和状态来研究整个磁体的磁性质。而介观微磁模拟用真实的晶粒代替任意划分的 微元，并且考虑磁存储器件边缘磁荷的影响。介观微磁模拟既能进行基础磁性质 的分析，也能进行磁存储读写过程的研究：譬如分析磁带或硬盘磁性介质的记录 第一章微磁学基础 性质，计算薄膜磁头的磁场，研究硬盘系统中不同的信号处理方法对记录性能的 影响，讨论磁阻随机存储器中的磁矩反转机制，或者研究介观尺度下软磁薄膜繁 复的磁化状态等等。当然，介观微磁学也有其局限性。首先，它仍然不能解答基 础磁学问题；其次，单个磁颗粒内部磁矩的转动有很多种模式，并不一定是统一 旋转。另外，伴随着信息存储密度的不断提高，在介观微磁学中加入对磁颗粒热 稳定性的考虑也显得越来越重要。 微磁学主要被用来研究磁记录系统里面晶粒间静磁和交换相互作用。在这一 章里，主要介绍维磁学模拟基础。基于均匀结构，我们首先讨论能量项的计算。 然后动力方程用于研究翻转过程。最后，我们还将概括可以用于研究热衰变的非 均匀结构和方法。 1 1 基本的微磁学模型 1 1 1 能量密度 ( a ) z e e m a n 能密度 当运用一外加场时，第i 个晶粒或划分格点的z e e m a n 能密度为 e ( f ) 一m - 只 ( b )磁晶各向异性能密度 在本文中，沿着x 方向的易轴形成了单轴各项异性，由此，本能量项密度可 写为两项之和【2 】： & ( f ) = ks i n 2 配+ 毛s i n 4 鼠 ( 1 1 2 ) 其中，k 。和k ：分剔是第一与第二级各项异性常数。b 是磁化向量与易轴的 夹角。与k 。相比，k ：一般非常小，因此在本文中，它将被忽略。( 1 1 - - 2 ) 式就 可以写成更加方便的形式： 第一章微磁学基础 e 。( f ) = 蚝 1 一( 鼻一f f i i ) 2 1 ( 1 1 3 ) 值得一提的是，当我们讨论磁记录系统的热稳定性的时候，k ：项就要被考 虑了。在模拟中，用角分布函数来表示团簇易磁化轴的取向分布： s ( e ) = e x p ( 一c z os i n 2 0 ) 其中0 为团簇内易磁化方向与整个薄膜单轴各向异性的易磁化轴之间的夹 角，f ( o ) 为概率密度，o 【。为角分布参数( o r i e n t a t i o n p a r a m e t e r ) 。图1 1 是a e 分别等 于5 和8 的情况下，薄膜内团簇易磁化轴的取向分布，膜面被划分成1 6 x 1 6 个 方格。可以看出，旺。越大，团簇易磁化轴的取向越一致。 图1 1 纳米晶软磁薄膜内团簇易磁化轴的分布 左图= 5 0 ，右图a o = 80 团簇i 内各向异性能的表达式为： 耳= s o , ( 7 , 而，1 2 ( 1 1 5 ) 其中，k 1 是单轴各向异性能常数，乏为团簇i 内易磁化方向的单位矢量。由 此得到团簇i 受到的各向异性场： 第一章微磁学基础 f l i = 2 材k , c ，g ，而。) = 风；c ，- ( f c i 。) ( c )静磁能量密度( 退磁能量密度) 静磁能密度来源于分立格点之间的双极一双极相互作用。由于这种作用的长 程属性，对给定晶粒的静磁能的计算包括所有个晶粒的贡献。 在c g s 单位旱，第i 个晶粒的静磁能量密度可以写成： e d ( f ) = 一m ，- h d ( i ) ( 1 1 7 ) 其中，瓯( i ) 是静磁相互作用场。也就是退磁场。是第f 个晶粒的体积平均。 因为磁化强度在每个格点中被考虑是均匀的，所以退磁场来源于所有表面磁荷的 贡献。因此，我们可以得到： 聃，2 撼1 = 1 首疗v 节 u，i ，一rl 其中，u 是晶粒i 的体积，亓是垂直于晶粒表面的面矢量。 我们可以定义个仅仅依赖于几何结构的静磁作用矩阵： 税2 拶，饼 在这种情况下，退磁场可以简化为 峨( i ) = 。- 厨， e d 也有下面的形式 4 第一章微磁学基础 毛( i ) = 一皿【矾厨，+ 三2 对，膨】 第二项是自退磁能。 在本课题对介观软磁薄膜的模拟中，。用团簇j 在团簇i 的体心位置的退磁 因子费。来近似。机的表达式为： 其中s 代表团簇，的表面，弓为由原点到团簇，表面的矢量，h j 为团簇，表 面的单位法线矢量，尹为由原点到团簇i 体心的矢量。式( 1 1 1 1 ) - - ( 1 1 1 2 ) 的 详细推导参见 3 】。退磁因子是与团簇形状和团簇间距离相关的量，根据式( 1 ，1 1 4 ) ，可以得到长方体退磁因子的解析表达式。 若式( 1 1 1 2 ) 中f 可，则目表示的是团簇i 内的自退磁能量。对四方体形状 来说，自退磁因子。为一对角阵： 胁童， 并且n 1 l = n 2 2 。由此，自退磁能量可以写成 e d _ s e l f = 吉4 z 孵( “2 + 2 ：朋，2 + 3 ，m ；) = 吉4 z 孵m + ( 3 3 一。) 刁 其中x y 面为膜面，z 轴与膜面垂宣，对应于薄膜的厚度方向。m 。、m 。、m ： 分别为团簇i 内单位磁化强度矢量廊，在x 、y 、z 三个方向上的分量。 由式( 1 1 - l o ) 与( 1 1 - 1 3 ) n - j 以分别得到团簇i 所感受的退磁场和自退磁场： 至| 纠 出 海墨 上锄 驴 k 第一章微磁学基础 a j = 一4 耳m 两d 胤? 盟。= 一4 z r m ；( n 3 ，一n ) ( 蝴) z 团簇i 内的自退磁作用是仅与团簇形状相关的，并且自退磁有效场的形式与 各项异性场类似，所以自退磁作用又被称为形状各向异。 生( s h a p ea n i s o t r o p y ) 。虽 然同称为各向异性，但形状各向异性与磁晶各向异性、感生各向异性的机理是不 同的。出式( 1 1 1 5 ) n 以看出，出于团簇的特殊形状四方体，当磁矩位于膜 面内时将感受不到形状各向异性。 ( d )交换能密度 相邻格点间的交换相互作用是由原子库仑相互作用转来的纯量子效应。对一 个分立的自旋点阵，h e i s e n b e r g 模型一般用于计算两个相邻自旋的交换能： t 。( 1 ，) = 一2 山s 。量 其中，j 。是交换积分，通常认为是与晶格位置无关的常数，记为j 。对于 铁磁性材料，j 是正值。从上式出发，我们可以得到连续系统的交换能密度： e o 。= 爿( v 而) 2 = 以 ( 罢) 2 + ( 票) z + ( 罢) z 戗珊出 陋薏糌1 其中，交换能常数爿与，相关 爿：c 堡 口 这旱，a 是晶格尺寸。s 是总的自旋量子数。常数c 与晶格结构有关。 在我们的模拟中，采取了一级近似，磁化强度被认为是相邻格点间的线性变 化。第i 个格点的交换能密度为： 6 第一章微磁学基础 蹦驴一2 。a 一* r h 委而， 其中，有效各向异性常数a + ( a + - 生笔筹型一型器必 ( 2 3 _ 3 ) 沿外场方向的磁化强度的静态平均德 m ? 0 没有明说，但是由于它是闭 合场，所魏认为是成立的。 乍为一级近戗，作用于一个团簇磁矩的有效场为： h # 。h i j + h 。，( 2 ，3 4 ) 其中，疗。是考虑介观尺寸效应有效的各向异性场。日。是由式2 3 。5 决定的 外场。由l l g 方程，磁化向量分量随时间的变化为： 第二章感应式薄膜磁头极尖的磁畴模式与高频响应的研究 叫：鼠一弭a - a f n x m y h k ( 2 ，5 ) 等一属+ 朋，h a + o 【啪：】 、。 其中，m 。是而沿外场的y 分量，聊。平行于有效各向异性场鼠王 m = 4 m ：+ m ；是x z 合分量。在上述方程里，运用了如下的归一化条件： m ：+ m ：+ m ；= 1( 2 3 6 ) 有效各向异性场鼠不再等于h 。= 2 k m 。= 6 0 e 。并且，疗。依赖于极尖的 磁畴状念。 在低频，比如几十m h z 的时候，通过运用方程2 3 1 ，2 3 3 到2 3 5 ，我们 可以得到朋：岔。正比于大的参数旃。2 n f o 。因此，我们为了平衡方程2 3 5 ， 卢和”必须取如下的值： ( 2 3 - 7 ) 不管是“涡漩”结构还是“梯形”结构，极尖的掣对于交变外场幅度在低 频处的依赖关系都可以由上两式( 2 3 7 ) 决定。在“梯形”磁模式旱，磁化向量 垂直于交变外场。因此，在“梯形”模式里，m ，的平均值 大约为l 。就 像表2 8 中列出的，“涡漩”磁畴结构的低频磁导率 与“梯形”磁畴结构的 低频磁导率之比为0 7 。所以通过方程2 3 7 ，我们可以得到“涡漩”磁畴结构的 为o 7 。这一点与我们模拟出的磁畴模式( 如图2 1 0 ) 是相符的。 当交变外场的幅值h 。减小的时候，垂直外场的 会增加。根据方程 ( 2 3 7 ) ，初始的实数磁导率正比于q m ，p 。因此我们可以说，h 。越低，j 2 越 高。当巩趋于0 的时候，低频的会趋于最大值。这些分析结果基本上可以由 表2 8 中的模拟结果验证。 低频的时候的大小在1 0 0 的量级，因此对于介观f e a l 。n 薄膜，有效各向 异性鼠在1 0 0 0 e 的量级，这个值远远大于碰= 6 0 e 。从方程2 3 5 和2 , 3 7 ， 共振频率应该在，鼠z1 0 9 h z ，这一点也可以由表2 8 证明。 第二章感应式薄膜磁头极尖的磁畴模式与高频响应的研究 2 4 本章总结 在本章中，我们用微磁学模拟的方法研究了薄膜感应式磁头的软磁极尖的高频响 应。微磁学模型建立在介观软磁薄膜上去研究和分析磁畴模式以及初始磁化率， 我们选取了非常宽的频率范围，从1 0m h z 到1 8g h z 。我们选取“涡漩”模式 和“梯形”模式作为高频嘧应模拟的初始条件。我们给出了不同窆b 场下磁化率的 期参别估：游罩 变化情况。我们发现，“潼鹾”结构模式的高频响应要好于“翘匿黟”结构模式的 情况。这一点，与实验结果是吻和的。最后，我们还通过对非线性 l a n d a u l i f l s h i t z g i l b e r t 方程的分析对模拟结果进行了简单的讨论。我们得到低 频磁导率正比于平均水平磁化强度的大小，共振频率决定于介观极尖的有效各向 异性场。 参考文献 【1 3 l 张璇信息存储i 业中介观软磁薄膜材料的微磁学模拟研究： 硕十学位论文】 北京：清华大学材料科学与t 程系，2 0 0 3 1 b m 公司网站h t t p ：r e s e a r c h w e h w a t s o n i b m c o r n r e a d - r i t e 公司网站h t t p ：w w w r e a d r i t e c o m h t m l m a g b a s i c h t m l 松本光功磁记录北京：科学出版社，1 9 8 3 陈国钧，吕键，陈殿全，王旭军h d d 用磁头材料的发展现状信息记录材料， 2 0 0 2 t 3 ( 1 ) ：2 5 3 0 w i l l i a mf u l l e rb r o w n ，j r m i e r o m a g n e t i c s i n t e r s c i e n c ep u b l i s h e r s ，19 6 3 纪松，杨国斌，千润纳米软磁合金的双相无规磁备向异性模型物理学报， 1 9 9 6 ，4 5 ( 1 2 1 ：2 0 6 l 2 0 6 7 吴志荣，许珞萍，马! 学鸣，等铁基纳米软磁合金的制各上海金属2 0 0 0 ，2 2 ( 4 ) ： 2 5 2 8 gh e r z e r g r a i ns i z e d e p e n d e n c e o f c o e r e i v i t y a n d p e r m e a b i l i t y i n n a n o c r y s t a l l i n ef e r r o m a g n c t s ，i e e et r a n s m a g n 1 9 9 0 ，2 6 ( 5 ) ：13 9 7 - 1 4 0 2 g h e r z e r n a n o c r y s t a l l i es o f tm a g n e t i cm a t e r i a l s j m a g n m a g n m a t e r 1 9 9 6 ， 15 7 15 8 ：1 3 3 - 13 6 马斌，魏福林，郑代顺，等f e t a - n 纳米软磁薄膜的结构和磁性磁性材料及 器f 1 1 9 9 9 ，3 0 ( 1 1 ：1 2 1 6 d a nw e i ，c k o n g ，z h e n gy a n g ，m i e r o m a g n e t i es t u d i e so fr e a da n dw r i t e p r o c e s si nm 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 j a p p l p b y s 2 0 0 0 ，8 7 ( 6 ) ： 3 0 6 8 - 3 0 7 3 d a nw e i ，f u l i nw a n g ，z h e n gy a n g 。m i e r o m a g n e t i cs t u d i e so fh i g hf r e q u e n c y p e r m e a b i l i t yi nf e m - nt h i nf i l m sw i t hm a c r o s c o p i ca n dm e s o s c o p i cs i z e s j a p p l p h y s 2 0 0 1 ，9 0 ( 6 ) ：2 9 1 9 - 2 9 2 3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 l 2 第二章感应式薄膜磁头极尖的磁畴模式与高频响应的研究 1 1 4 】 【1 5 1 【16 】 章吉息磁记录原理与技术上海：上海交通大学出版社，1 9 9 0 v s ，s p e r i o s u ，d a h e r m a nj r ，i 。l s a n d e r s ，t y o g i m a g n e t i ct h i nf i l m si n r e c o r d i n gt e c h n o l o g y ，i b mj r c s d e v e l o p 2 0 0 0 ，4 4 ( i 2 ) ：1 8 6 - 2 0 4 周鹏金属颗粒磁记录介质宏观磁性质的微磁学分析：【硕士学位论文】北京： 清华人学材料科学与l 一程系，2 0 0 2 第三章隧穿磁阻随机存储器的存储- 陛质的微磁学分析 第三章隧穿磁阻随机存储器的存储性质的微磁学分析 3 1 背景介绍 磁阻随机存储器( 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 ) ，也称为磁性随机 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 ) ，都简称做m r a m 。由于m r a m 具有 非常优异的性能，使它成为近年来信息存储领域的研究热点。 磁阻随机存储器( 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 ) ，也称为磁性随机 存储器( m a g n e t i cr a n d o m a c c e s sm e m o r y ) ，都简称做m r a m 。m r a m 可谓近年来 信息存储领域的研究热点之一，这主要源于它优异的性能。相比于其他类型的 随机存储器，m r a m 几乎具备所有优点：信息不易失( n o n v o l a t i l e ) 、“无限”读写 次数、快速读写、低功率以及实现高密度和与大规模集成电路整合的潜力。美 国、欧洲、日韩的很多大公司和大学、研究所都对此展开积极的研究，并且 m o t o r o l a 公司己于2 0 0 4 年实现商品化。 m r a m 利用磁阻多层膜结构的磁阻效应来实现二进制数字信号存储。“铁磁 层t b - 磁性层铁磁层”的“三明治”结构多层膜是m r a m 的基本存储单元，如图3 1 所示。 自由层 钉扎层 一 一 m m 铁磁层 非磁- 陛层 铁磁层 图3 1m r a m 中磁阻多层膜的基本结构 当上下两层铁磁层的磁矩取向不同时，电流流经此结构( 平行于或者垂直于 膜面，分别对应于不同的非磁性层材料以及不同的磁阻机制1 所得到的输出电压 也随之不同，也即此多层膜结构的电阻值随两层铁磁层磁矩的相对取向不同而 变化。当上下两层铁磁层的磁矩取向平行时，电阻最低；反平行时，电阻最高。 此高低两个电阻态恰好可以用来对应二进制数字信号的0 和“1 ”。在通常的磁阻 第三章隧穿磁阻随机存储器的存储性质的微磁学分析 多层膜设计中，一般设法使其中一层铁磁层的磁矩方向固定，这样只需改变另 一铁磁层的磁矩方向就可以得到高低两个电阻态。这两层铁磁层分别被称为“钉 扎层”( p i n n e dl a y e r ) ：f 1 3 “自由层”( f r e el a y e r ) 。 磁阻多层膜中的铁磁层材料常用n i 、f e 、c o 以及它们的合金，并要求它们 的性质介于典型的软磁和硬磁材料之间。一方面，为了降低写操作的功率损耗， 自由层内的磁矩要能够在较小的外场作用下反转；另一方面，铁磁层的材料要 具备一定的矫顽力以保持写入信息的稳定。与典型的软磁材料和硬磁材料相比， m r a m 中的磁性薄膜更接近于软磁材料。文献中常见的自由层材料有坡莫合金 ( n i s 0 f e 5 0 、n i 6 0 f e 4 0 ) 和n i f e c o 合金，它们的矫顽力一般在1 0 0 e 以下。 从物理角度上来讲，m r a m 利用的是磁阻多层膜结构的磁阻效应来实现二 进制数字信号存储。磁阻效应来源于自旋极化电流，在其背后，是一门新兴的 学科：自旋电子学( s p i n e l e c t r o n i c s ) 。从技术角度上来讲，m r a m 是一个功能器 件，要满足各方面的要求。除了要满足对磁阻多层膜本身存储性质的要求，还 必须能够有效的实现读写，保证各个存储单元的一致性、稳定性和整个器件性 能的优化。最后，要使m r a m 成为商品并取代动态随机存储器d r a m ( d y n a m i c r a n d o ma c c e s sm e m o r y ) ，还必须能够实现大规模批量生产和保证价格低廉。下面 将具体介绍磁阻效应、m r a m 中的存储单元、以及m r a m 器件。 3 1 1 磁阻效应 目前在信息存储领域中提及磁阻效应，主要有如下两个名词：g m r ( g i a n t m a g n e t o r e s i s t a n c e ) 和t m r ( t u n n e l i n gm a g n e t o r e s i s t a n c e ) ，分别被称作巨磁阻和隧 穿磁阻。所谓磁 j f l ( m a g n e t o r e s i s t a n c e ) 效应，指的是材料电阻会随着施加其上的 外磁场变化而改变的现象。磁阻效应在金属中是非常常见的。衡量磁阻效应大 小的重要物理量是磁阻比m r ( m a g n e t o r e s i s t a n c er a t i o ) 。在g m r 和t m r 中，m r 的定义为： 揪：竺：生* 二坠 ，。k 。 ( 3 1 1 ) 第三章隧穿磁阻随机存储器的存储性质的微磁学分析 其中r 。、r 。分别代表外磁场作用下材料电阻的最大值和最小值。 3 1 1 1 巨磁阻( c m r ) 巨磁i 瑕( 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 多层膜结构中实现了5 0 左右的磁阻比【1 。这种“巨大的”磁阻效应后来 又相继在一系列的铁磁多层膜结构中实现。1 9 9 1 年，i b m 的实验物理学家p a r k i n 发现了两层铁磁层间的耦合作用随中间非磁性层厚度的改变而“振荡”( o s c i l l a t i o n ) 的现象，也就是说，随着中间层厚度的变化，两层铁磁层之间铁磁耦合和反铁 磁耦合作用交替出现【2 。在此基础上，p a r k i n 和他的研究团队开发设计了“自旋 阀”结构( s p i nv a l v e ) 的g m r 元件，这在当时是最灵敏的读磁头。很快，i b m 将 它引入硬盘系统并商品化。 图3 2 g m r 机制斫意图： 左圉对应低阻态，右图对应商阻态 g m r 的核心是铁磁层月 磁性层( c u ) 铁磁层的“三明治”结构多层膜，电流平 行于膜面流过，如图3 2 所示。一般认为，材料的电阻由其对传导电子的散射决 定：如果对电子的散射强，则电子的自由程短，材料电阻大；反之，如果对电 子的散射弱则电子的自由程长，材料电阻小。巨磁阻效应来源于与自旋相关 的电子散射( s p i n d e p e n d e n ts c a t t e r i n g ) ，即c u 层中传导电子的自旋方向与界面处 或材料中的磁矩方向相同时散射最弱，相反时散射最强。两层铁磁层中的磁矩 取向反平行时( 图3 1 中右图) ，传导电子无论自旋向上还是向下都会在薄膜界 面处发生散射，从而缩短了电子的自由程，使电阻较大；若施加足够的外磁场， 使两层铁磁层中的磁矩取向平行( 图3 2 中左图) ，则只有一半传导电予会在磁矩 第三章隧穿磁阻随机存储器的存储性质的微磁学分析 与其自旋方向相反的界面处发生散射，较之前者自由程更长。自旋向上和向下 的电子通道可以看成并联的，因此总电阻减小。 图3 3 1 3 给出了典型的“自旋阀”结构( s p i nv a l v e ) 及其磁阻曲线。磁阻曲线是 电阻随外磁场变化的曲线，纵坐标m r 等于a r r 。m ，其中a r 是某磁化状态对 应的电阻与最小电阻的差值。“自旋阀”结构是指在典型的“三明治”结构中的其中 一层铁磁层下面再加一层反铁磁层( a f ) ，使此铁磁层中的磁矩被强烈的反铁磁耦 合作用钉扎在某个固定方向。这样，外场只需改变另一铁磁层的磁矩方向就可 以得到高低两个电阻态，这两层铁磁层分别被称为“钉扎层”( p l ) 和“自由层”( f l ) 。 一 _ - 一 f l n m p l a f m r 一 氚3 卜一 h 图3 3 典型“自旋阀”结构及其磁阻曲线 磁阻曲线中，上面的箭头代表自由层( f r e el a y e r ，简称f l ) 内的磁矩取向，下 面的箭头代表钉扎层( p i n n e dl a y e r ，简称p l ) 内的磁矩取向。钉扎层内的磁矩被 钉扎在负方向上。可以看到，当外磁场沿负方向时，两铁磁层内的磁矩取向一 致为负，电阻最小；随着外磁场由负变正，自出层内的磁矩转向，两铁磁层内 的磁矩取向相反，电阻最大：随着正向外磁场的迸一步增大，钉扎层内的磁矩 克服与下面反铁磁层之间的耦合作用，转向正方向，两铁磁层内的磁矩取向一 致，电阻又降到最小。 3 1 1 2 隧穿磁阻( t m r ) 隧穿磁阻来源于自旋相关的电子隧穿效应( s p i n d e p e n d e n tt u n n e l i n g ) 。具体来 说，就是在一个铁磁层绝缘层铁磁层的“三明治”结构多层膜中，在两铁磁层问 第三章隧穿磁阻随机存储器的存储性质的微磁学分析 施加电压，垂直流经此结构的电流大小会随两铁磁层内磁矩相对取向的不同而 变化。中间的绝缘层非常薄，只有几个原子层厚度。电子能够“隧穿”此薄绝缘层 反映了电子的波动性，只能用量子力学原理来解释。这样一个结构被称作磁隧 道结( m a g n e t i ct u n n e l i n g j u n c t i o n ，简称m t j ；或s p i nt u n n e l i n g j u n c t i o n ，简称s t j ) ， 中间的绝缘层也被称作隧穿隔层( t u n n e lb a r r i e r ) 。与g m r 类似，两铁磁层内磁矩 互相平行则电阻最小，反平行则电阻最大。目前普遍认为隧穿磁阻效应的机制 如下：如果两个铁磁层内的磁矩平行，则隧穿隔层两边电子自旋向a j ( s p i n u p ) 和自旋向下( s p i n d o w n ) 的态密度( d e n s i t yo f s t a t e ，简称d o s ) 各自对应相等，电子 隧穿几率高，从而隧道结电阻较小；反之如果两个铁磁层内的磁矩反平行， 隧穿隔层两边电子自旋向上和白旋向下的态密度各自都不平衡，电子隧穿几率 低，从而隧道结电阻较大，如图3 4 所示。 ( a ) 图3 4 t m r 机制示意图： 左图对应低阻态，也图对应高阻态 ( b ) o i ，口。1 0 0 - j o o 5 9i i 帕) t qr a m w d 图3 , 5 “自旋阕”型隧道结的结构、测量电路以及磁阻曲线 第三章隧穿磁阻随机存储器的存储性质的微磁学分析 1 9 7 5 年，j u l l i e r e 发表了对隧穿磁阻的研究并首次对其机制给出了物理解释。 他得到4 。2 k 温度下，f e g e c o 多层膜的电导的相对变化值大约是1 4 。直至t j 2 0 年 后的1 9 9 5 年才开始出现室温下隧道结明显磁阻效应的相关报导，m o o d e r a 等人在 c o f e a 1 2 0 3 c o 结构上实现t 3 0 0 k 温度下1 1 8 的磁阻比【4 】。 图3 5 给出了“自旋阀”型隧道结的结构、测量隧穿磁阻的电路和所测得的磁 阻曲线 3 】。隧道结使用的材料是：i r 2 3 m n 7 7 c o f e a 1 2 0 3 c o f e n i f e ，室温下的磁 阻比为3 6 。 从1 9 9 5 年到现在的7 年间，关于t m r 的实验研究菲常活跃而且数目众多。大 部分研究都集中于使用n i 、f e 、c o 以及它们的合金做磁电极材料，使用a l 的氧 化物做隧穿隔层。t m r 的磁阻比能够达到3 0 5 0 ，t b g m r 要高很多。如此高的 磁阻比使t m r 有很诱人的应用前景。据称如果用其代替g m r 做硬盘系统的读磁 头，能够实现1 0 0 g b i n 以上的记录密度。更加令人振奋的是它能够实现具备优 异性能的磁阻随机存储器( 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 ) 。除此之外， 伴随着对它的研究，一门新的研究领域自旋电子学( s p i n t r o n i c s ) 逐渐兴起。 3 1 2 磁隧道结与自旋隧穿磁阻随机存储器 图3 , 6 白旋隧穿m r a m 的结构示意图 图3 6 1 5 ) 及 g l3 7 是自旋隧穿磁阻随机存储器( s p i n t u n n e l i n gm r a m ) 及其存 储单元的结构示意图。隧道结阵列构成m r a m 的主体，它的高低两个电阻状态 第三章隧穿磁阻随机存储器的存储性质的微磁学分析 用来记录二进制数字信息。隧道结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 ，在图中用b i 来表示) ；隧道结下面有一个底电极( b a s e e l e c t r o d e ) ，位线与底电极都与隧道结接触；底电极连接一个三极管，一系列字 线( w o r dl i n e ，在图中用w i 来表示) 连接三极管的栅极，用来控制三极管的导通 和截止