磁隧道结中自旋转移矩效应动态特性及热稳定性的研究

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1、太原理工大学硕士研究生学位论文磁隧道结中自旋转移矩效应动态特性及热稳定性的研究摘要随着人们对存储技术要求的提高，基于自旋转移矩（STT）效应的磁性随机存储器(STT-MRAM)以其巨大的优势成为磁学领域研究的热点。作为随机存储器的核心组成部分，磁隧道结中磁矩动态特性的研究对于STT-MRAM高存储密度、可扩展性的实现具有关键的意义。近年来，基于CoFeB-MgO材料的磁隧道结构得到了特别的关注，其优越的性能为新型磁存储器的商业化提供了光明的前景。但是纳米尺寸磁隧道结中的磁矩更容易受到热扰动的影响，而且过高的电流密度

2、会使绝缘层很容易被击穿，阻碍了自旋转移矩磁性随机存储器商业化目标的实现。如何在保持较高热稳定性的前提下进一步改善磁矩进动的动态特性成为迫切需要解决的难题。本文基于Landau-Lifshitz-Gilbert-Slonczewsk(LLGS)方程,建立了宏自旋与微磁两种模型，对磁隧道结中影响STT效应动态特性以及系统热稳定性的因素进行了探讨，主要研究内容为：1.介绍了磁性存储技术的研究背景和意义，总结了磁性存储器的研究成果和面临的挑战。通过对磁矩进动动态方程的解析以及相互作用能的阐述，为研究磁矩动态特性提供了理论基

3、础。2.分别研究了面内磁隧道结构，特别是CoFeB-MgO多层膜结构中形状各向异性以及面外磁隧道结中垂直各向异性的影响。对于面内隧道结而言，合适的尺寸规模对其动态特性的影响很大。自由层长宽I太原理工大学硕士研究生学位论文比及其厚度的增加，会导致面内各向异性增强，翻转时间与阈值电流密度增大。对于面外垂直磁隧道结而言，垂直各向异性系数越大，磁矩偏离易轴的阻碍作用越强，所需要的阈值电流和翻转时间越大。3.研究了材料参数对热稳定因子及自旋转移效率的影响。主要研究了饱和磁化强度、各向异性系数、自由层尺寸长宽比和厚度以及温度等

4、因素的影响。垂直磁隧道结中自旋转移矩效率会随着自由层厚度的减小而增加，随着垂直各项异性系数的减小而减小，随着饱和磁化强度的减小而增加。在饱和磁化强度和垂直各项异性的幅值降低时，自旋转移矩效率增加，饱和磁化强度对动态特性的增强作用要大于垂直各项异性系数的减弱作用。4.研究了类场项和极化层磁矩初始偏角对磁隧道结阈值电流以及翻转时间的影响。运用微磁模拟的方法对非共线磁性多层膜结构中的自旋转移力矩效应进行了研究，着重考察了Slonczewski项和类场项的影响情况。研究结果表明，在给极化层磁矩一定初始偏角时，阈值电流会大幅

5、减小,减小幅度可达37%。而且类场STT项和Slonczewski项对阈值电流密度和翻转时间有着重要的影响。分析表明类场项和Slonczewski项在一定条件下可以明显地改善磁隧道结的翻转特性，此时类场STT项有效地促进自由层磁矩翻转的进程，从而使阈值电流减小，翻转时间缩短。关键词：类场自旋转移力矩，磁隧道结，非共线极化层，微磁模拟，翻转特性，自由层磁矩II太原理工大学硕士研究生学位论文DYNAMICPROPERTIESANDTHERMALSTABILITYOFSPINTRANSFERTORQUEEFFECTINM

6、AGNETICTUNNELJUNCTIONSABSTRACTWiththeevolutionofthestoragetechnologyrequirements,thespintransfertorquebasedmagneticrandomaccessmemory(STT-MRAM)hasattracthugeresearchinterestduetoitsvarioustechnologicaladvantages.Asthecorecomponentofrandomaccessmemory,themagnet

7、ictunneljunction(MTJ)characteristicneedstobestudiedandunderstoodthoroughlyinordertoachieveextremelyhighstoragedensityandscalability.Inrecentyears,theCoFeB-MgObasedmagnetictunneljunctionhasbecomeapromisingchoiceformagnetoelectronicdevicesasitssuperiorperformace

8、andprovidesabrightfutureforthecommercializationoftheSTT-MRAM.However,nano-sizedmagnetictunneljunctionsaremoresusceptibletothermalfluctuation,andthehighcurrentdensitymaycausethebrea