微波輔助自旋轉移矩磁性隨機存儲器的研究

《微波輔助自旋轉移矩磁性隨機存儲器的研究》是依託蘭州大學，由王建波擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：微波輔助自旋轉移矩磁性隨機存儲器的研究
• 依託單位：蘭州大學
• 項目負責人：王建波
• 項目類別：面上項目

項目摘要

本課題擬針對可以實現更低臨界電流密度的新型微波輔助自旋轉移矩（Spin transfer torque）磁性隨機存儲器(MRAM)進行研究，探索構成MRAM材料的各向異性控制方法和工藝，研究結構、尺寸和形狀對MRAM基本單元性能的影響，以獲得合適的微波共振頻率，再通過外加輔助微波磁場實現對MRAM的磁化翻轉有效控制，最終達到降低自旋轉移矩臨界電流密度的目的。項目擬根據目標設計特定spin transfer torque MRAM納米結構器件，研究並製備各向異性可控的磁性材料，並研究高頻特性的測量與人工調控，探索微波場施加參數和模式，闡明微波輔助spin transfer torque MRAM的工作機理，以便降低MRAM記錄信號反轉所需臨界電流密度和磁化翻轉時間。該研究將不僅對於spin transfer torque研究具有理論指導意義，在MRAM進一步實際套用方面也具有重要價值。

結題摘要

磁隨機存儲器(MRAM)是指利用磁電阻性質的變化存儲數據的隨機存儲器，當前的一個關鍵問題是為了提高記錄密度，存儲單元將要減小到納米尺寸，此時寫入信息所需要的電流明顯大幅增加。利用自旋轉移矩效應（STT effect）可以只有降低電流密度，但是仍然不夠。本研究課題採用微波輔助辦法實現的自旋轉移矩效應等多種手段嘗試降低電流密度，研究結果表明適當頻率和功率的微波，可以將磁化反轉電流密度降低到原先的25%。通過濺射和電鍍等多種方法製備了不同軟磁薄膜（FeCo、FeNi、FeCoZr）等，通過應力調控、傾斜濺射、雷射刻蝕等手段產生形狀各向異性和感生各向異性等多種各向異性的共同作用實現了材料的高頻磁導率和共振頻率在GHz頻段的調控。研究並改進了薄膜的高頻動態磁導率和共振頻率的實驗測量手段。通過微波磁場輔助的方法，降低了自旋閥和磁性隧道結中磁化反轉所需臨界電流密度。研究結果表明，微波磁場振幅和頻率對臨界電流密度的減小量影響非常大：臨界電流密度隨著微波磁場振幅的增加而減小；微波磁場輔助存在一個最優頻率，當微波磁場頻率等於最優頻率時臨界電流密度減小量最大。微波磁場輔助的最優頻率等於自旋閥或磁性隧道結的自然共振頻率。同時，在微波磁場輔助下磁化反轉時間也可以減小。在不同偏振形式的微波磁場輔助下，臨界電流密度和磁化反轉時間的減小量不同。我們針對線偏振和圓偏振微波磁場輔助自旋轉移矩激發磁化反轉的研究發現，圓偏振微波磁場輔助下臨界電流密度和磁化反轉時間小於線偏振微波磁場輔助下的結果。垂直各向異性不僅可以影響材料動態磁性而且也影響自旋轉移矩激發磁化反轉。對於In-plane自旋閥結構，其自然共振頻率和自旋轉移矩效應激發自由層磁化反轉所需臨界電流密度隨著垂直各向異性常數的增加而減小。而對於Out-plane磁性隧道結而言，臨界電流密度以及自然共振頻率隨著磁晶各向異性常數的增加而增加。