自旋转移矩效应激发的非线性磁化动力学

本文基于宏观磁矩(macrospin)的Landau-Lifshitz-Gilbert方程,模拟研究了磁性自旋阀结构中由垂直膜面流向的自旋极化电流所激发的磁化转动动力学特性.直流自旋极化电流借助自旋转移矩效应可驱动磁矩翻转或作周期性振荡,交流电可以激发出具有混沌行为的磁矩振荡.展示了磁矩振荡行为随电流强度变化而发生倍周期分岔、直至混沌振荡的行为规律. 关键词： 自旋转移矩效应 微磁模拟 磁性自旋阀 混沌     

垂直自由层倾斜极化层自旋阀结构中的磁矩翻转和进动

在理论上研究了垂直自由层和倾斜极化层自旋阀结构中自旋转移矩驱动的磁矩翻转和进动.通过线性展开包括自旋转移矩项的Landau-Lifshitz-Gilbert方程并使用稳定性分析方法,得到了包括准平行稳定态、准反平行稳定态、伸出膜面进动态以及双稳态的磁性状态相图.发现通过调节电流密度和外磁场的大小可以实现磁矩从稳定态到进动态之间的转化以及在两个稳定态之间的翻转.翻转电流随外磁场的增加而增加,并且受自旋极化方向的影响.当自旋极化方向和自由层易磁化轴方向平行时,翻转电流最小;当自旋极化方向和自由层易磁化轴方向垂直时,翻转电流最大.通过数值求解微分方程,给出了不同磁性状态磁矩随时间的演化轨迹并验证了相图的正确性.     

垂直磁各向异性自旋阀结构中的铁磁共振

本文在理论上研究了垂直磁各向异性自旋阀结构中磁场激发和调节的铁磁共振. 通过线性展开包含自旋转移矩项的Landau-Lifshitz-Gilbert方程,获得了磁场激发和调节的铁磁共振谱. 给出了共振线宽、共振频率和共振磁场随直流电流密度大小和方向以及直流磁场的变化关系. 通过调节直流电流密度的大小和方向,系统的有效阻尼可以达到最小. 关键词： 自旋阀 自旋转移矩 垂直磁各向异性 铁磁共振     

基于外尔半金属WTe2的自旋-轨道矩驱动磁矩翻转

外尔半金属WTe₂有强自旋轨道耦合且能产生新奇非常规面外极化的自旋流,是近几年的新兴热点.同时WTe₂还具有高的电荷-自旋转换效率,能在无外磁场辅助的情况下实现垂直磁矩确定性的翻转,这对于高密度集成低功耗磁随机存取存储器至关重要.本文回顾了近几年WTe₂与铁磁层组成异质结构中自旋轨道矩研究的最新进展,包括用不同方法制备的WTe₂ (例如机械剥离和化学气相沉积)与铁磁层(例如FeNi和CoFeB等)、二维磁体(例如Fe₃GeTe₂等)组成异质结的自旋轨道矩探测和磁矩翻转的电调控研究进展.最后,对相关研究的发展提出展望.     

多层结构双自旋过滤隧道结中的电子输运特性

在转移矩阵方法及Mireles和Kirczenow的量子相干输运理论的基础上,研究了正常金属层/磁性半导体层/非磁绝缘层/磁性半导体层/正常金属层型双自旋过滤隧道结中Rashba自旋轨道耦合效应和自旋过滤效应对自旋相关输运的影响.讨论了隧穿磁电阻（TMR）、隧穿电导与各材料层厚度、Rashba自旋轨道耦合强度以及两磁性半导体中磁矩的相对夹角θ之间的关系.研究表明：含磁性半导体层的双自旋过滤隧道结由于磁性半导体层的自旋过滤效应和Rashba自旋轨道耦合作用可获得极大的TMR值.另外TMR和隧穿电导随着Rashba自旋轨道耦合强度的变化而振荡,振荡周期随Rashba自旋轨道耦合强度的增大逐渐减小. 关键词： 双自旋过滤隧道结 Rashba自旋轨道耦合 隧穿磁电阻 隧穿电导     

自旋轨道矩调控的垂直磁各向异性四态存储器结构

利用氧化钽缓冲层对垂直各向异性钴铂多层膜磁性的影响,构想并验证了一种四态存储器单元.存储器器件包含两个区域,其中一区域的钴铂多层膜[Pt(3 nm)/Co(0.47 nm)/Pt(1.5 nm)]直接生长在热氧化硅衬底上,另一个区域在磁性膜和衬底之间沉积了一层氧化钽作为缓冲层[TaO x(0.3 nm)/Pt(3 nm)/Co(0.47 nm)/Pt(1.5 nm)],缓冲层导致两个区域的垂直磁各向异性不同.在固定的水平磁场下对器件施加与磁场同向的电流,由于电流引起的自旋轨道耦合力矩,两个区域的磁化取向均会发生翻转,且拥有不同的临界翻转电流.改变通过器件导电通道的电流脉冲形式,器件的磁化状态可以在4个态之间切换.本文器件的结构为设计自旋轨道矩存储器件提供了新的思路.     

应力调制的自旋转矩临界电流

自旋转矩临界电流过大的问题长期以来一直为人们所关注.本文提出,可以通过引入面外应力即引入应力各向异性场来降低退磁场,从而降低自旋转矩的临界电流.本文采用四分量分布式自旋电路模型计算了横向自旋阀由注入端输运到探测端(自由层)的极化电流大小.利用Landau-Lifshitz-Gilbert-Slonczewski方程数值研究了存在应力时,横向自旋阀中自旋转矩引起的自由层磁矩翻转的性质.结果表明,适当选择应力方向可使面外退磁场得到有效补偿,从而显著降低自旋转矩临界电流.另外,随着应力提高和退磁场的减小,磁矩翻转时间也大大减小.     

考虑非常数自旋扭矩时LLS方程的微扰解

不将自旋扭矩因子近似为一个常数,利用Melnikov微扰方法推导了LLS方程解的表达式,通过VC与MATLAB混和编程进行计算,计算结果显示,与将自旋扭矩因子视为常数的情况相比较,自旋扭矩为磁化强度函数时的磁化强度运动轨道在离开未扰轨道初期仅在未扰轨道附近做微小振动,在翻转时刻附近有较大振荡,并且所预言的磁化强度翻转时刻相对提前. 关键词： 自旋扭矩 磁化强度 LLS方程 微扰     

双自旋过滤隧道结中的隧穿时间

基于自由电子近似和Winful的隧穿时间模型,研究了普通金属/自旋过滤层/非磁绝缘层/自旋过滤层/普通金属(NM/SF/I/SF/NM)双自旋过滤隧道结中自旋相关的居留时间(dwell time)和相位时间(phase time).分别以居留时间和相位时间随入射电子能量、势垒高度和势垒宽度、以及分子场大小的变化情况做了讨论.计算结果表明:在低能隧穿区域(入射电子的能量小于势垒高度),由于自旋相关的自相干项的影响,不同自旋方向电子的相位时间总是大于居留时间;在高能隧穿区域(入射电子的能量大于势垒高度),自旋相关的自相干项的影响减小,不同自旋方向电子的相位时间和于居留时间趋于一致.NM/SF/I/SF/NM双自旋过滤隧道结中的居留时间和相位时间基本不受非磁绝缘层势垒高度和宽度变化的影响,该现象不同于常规的铁磁金属/非磁绝缘层/铁磁金属(FM/I/FM)隧道结.但当非磁绝缘层势垒高度低于自旋过滤层势垒高度时,改变非磁绝缘层的势垒高度和宽度会使居留时间和相位时间出现相峰值,该峰值的出现与不同自旋方向电子的共振隧穿有关.自旋过滤层的势垒高度的变化对NM/SF/I/SF/NM双自旋过滤隧道结中的居留时间和相位时间影响大,但宽度变化的影响较小.自旋过滤层中分子场的变化对不同自旋方向的电子的居留时间和相位时间有明显影响,且上自旋电子的居留时间和相位时间随分子场的增大而减少,而下自旋电子的情况刚好相反.     

自旋场效应晶体管中隧道磁阻的势垒相关反转效应

考虑自旋场效应晶体管中Rashba自旋轨道相互作用和自旋输运量子相干性,研究了势垒强度对自旋场效应晶体管的自旋相关量子输运的影响. 研究发现,势垒强度较低时,隧道结电导随Rashba自旋轨道相互作用强度的变化呈现明显的振荡现象,势垒强度较高时,电导表现出明显的势垒相关“电导开关”现象. 当势垒强度逐渐增强时,平行结构电导呈现出单调下降趋势,而反平行结构电导产生波动,这种波动导致该隧道磁阻也随势垒强度的变化表现出振荡现象,且在合适的准一维电子气厚度情况下隧道磁阻值可以产生正负反转,这个效应将会在基于自旋的电子器件信息的存储上获得应用. 关键词： 自旋场效应管 开关效应 量子相干 隧道磁阻     

Rashba自旋-轨道相互作用对一维谐振子势场中电子性质的影响

分析了Rashba自旋-轨道相互作用对一维谐振子势场中电子性质的影响,发现该自旋-轨道相互作用能够导致能级之间的自旋翻转,并且自旋翻转的性质明显依赖于自旋-轨道耦合系数和参考系坐标之间的关系.     

对称抛物势阱磁性隧道结中的自旋输运及磁电阻效应

研究了两端具有铁磁接触的对称抛物势阱磁性隧道结(F/SPW/F)中自旋相关的隧穿概率和隧穿磁电阻,讨论了量子尺寸效应和Rashba 自旋轨道耦合作用对自旋极化输运特性的影响.研究结果表明:隧穿概率和隧穿磁电阻随抛物势阱宽度的增加发生周期性的振荡.抛物势阱深度的增加减小了隧穿概率和隧穿磁电阻的振荡频率.Rashba 自旋轨道耦合强度的增加加大了隧穿概率和隧穿磁电阻的振荡频率.隧穿概率和隧穿磁电阻的振幅和峰谷比强烈依赖于两铁磁电极中磁化方向的夹角. 关键词： 磁性隧道结 Rashba 自旋轨道耦合 隧穿概率 隧穿磁电阻     

基于工艺偏差的自旋转移矩辅助压控磁各向异性磁隧道结电学模型及其应用研究

自旋转移矩辅助电压调控磁各向异性磁隧道结(STT辅助VCMA-MTJ)作为非易失性全加器(NV-FA)中的核心部件,具有切换速度快、功耗低,稳定性好等优点,将在物联网、人工智能等领域具有良好的发展前景.然而随着磁隧道结(MTJ)尺寸的不断缩小以及芯片集成度的不断提高,工艺偏差对MTJ及NV-FA电路性能的影响将变得越来越显著.本文基于STT辅助VCMA-MTJ磁化动力学,在充分考虑薄膜生长工艺偏差以及刻蚀工艺偏差影响的情况下,建立了更为精确的STT辅助VCMA-MTJ电学模型,研究了上述两种工艺偏差对MTJ及NV-FA电路性能的影响.结果表明,当自由层厚度偏差γ_tf≥6%或氧化层厚度偏差γ_tox≥0.7%时,MTJ将无法实现状态切换;当隧穿磁阻率偏差β增大到30%时,读取裕度SM将下降高达17.6%.对于NV-FA电路,通过增大电压V_b1以及写‘0’时增大电压V_b2或写‘1’时减小V_b2,可有效降低非易失性加数写入错误率;通过增大逻辑运算驱动电压V_dd,可...     

有机自旋阀的磁电阻性质研究

考虑到有机半导体中极化子和双极化子特殊的电荷-自旋关系,从自旋扩散方程和欧姆定律出发,理论研究了"铁磁/有机半导体/铁磁"有机自旋阀结构中的磁电阻性质.计算发现,磁电阻在数值上随有机半导体层中极化子比率的增加而增大,随有机半导体层厚度的增加而迅速减小.同时发现自旋相关界面电阻能在很大程度上提高系统的磁电阻.讨论了铁磁层和有机半导体电导率比率、铁磁层极化率等对系统磁电阻性质的影响. 关键词： 磁电阻 有机自旋电子学 极化子     

具有倾斜极化层的自旋阀结构中磁翻转以及磁振荡模式的微磁模拟

基于自由层与钉扎层均为垂直磁各向异性的自旋阀结构,采用微磁学模拟与傅里叶分析相结合的技术,研究了极化层磁矩小角度倾斜情形下自由层磁矩的进动翻转特性.通过沿样品垂直膜面方向同时施加电流与磁场,观察到自由层磁矩垂直膜面方向分量的平均值随磁场的演化翻转曲线中出现了多个凹槽.模拟研究结果表明:在一定的电流范围内,凹槽出现的位置与电流大小无关;而在固定的应用电流下,凹槽出现的位置将会受到样品厚度的影响;在凹槽区域内,非一致进动模式、自旋驻波模式、局域自旋波模式等多种磁振荡模式被激发.通过傅里叶分析,得到了各种磁振荡模式的频谱,频谱中的频率分布体现出了倍频以及间谐波的频率特性.     

二维带电自旋-1/2费米气体的磁性质

通过引入描述电荷-磁场和自旋-磁场相互作用竞争关系的自旋因子,研究了磁场和简谐势阱双重约束的二维带电自旋-1/2费米气体的磁性质.结果表明,当自旋因子很小时,系统显示出抗磁性,随着自旋因子的进一步增大,系统逐渐转变为顺磁性.自旋因子的临界值将磁化强度划分为抗磁性区和顺磁性区,临界值随磁场和温度的增大仅发生微小的改变.     

电流感应磁化翻转效应的改进的系综模型

运用宏观双通道扩散模型研究了赝自旋阀结构中的自旋相关输运过程,考虑到磁化强度矢量的横向分量的影响,建立了自由层磁化强度矢量的动力学方程,利用自旋流连续和化学势差连续作为边界条件.理论计算求解了电流感应磁化翻转效应中的临界电流,解释了铁磁层和非磁层电导率匹配问题和纵向场对电流感应磁化翻转效应中临界电流的影响. 关键词： 赝自旋阀 电导率匹配 自旋转移扭矩 电流感应磁化翻转效应     

磁台阶势垒结构中二维电子气的自旋极化输运

运用散射矩阵方法,研究了台阶磁势垒量子结构中二维电子气的隧穿输运性质.结果表明：在零偏压下,电子传输概率的自旋极化曲线随入射能量的增加而振荡衰减;随着磁台阶数的增加,电子传输概率的自旋极化度最大值减小,同时电子传输概率的自旋极化度振荡衰减也越来越慢;随着磁台阶的总宽度增加,电子传输概率的自旋极化曲线出现更明显的振荡,电子隧穿磁台阶势垒表现出明显的量子尺寸效应;在偏置电压的作用下,电子传输概率的自旋极化度在宽广的入射能量区出现明显的振荡增大,电子隧穿磁台阶势垒表现出更明显的自旋过滤效应. 关键词： 磁台阶势垒 自旋极化 自旋过滤     

从Sn质子滴线核到Sn中子滴线核的自旋对称性和赝自旋对称性

在球形相对论平均场模型下, 采用NLSH相互作用全面研究了从Sn质子滴线核到Sn中子滴线核的自旋对称性和赝自旋对称性. 发现: 1) 随着核子数的增大, 中子和质子的赝自旋波函数劈裂基本上都是减小的, 并且质子的变化趋势更加明显. 中子高能级的自旋波函数劈裂随着核子数的增大也是减小的. 2) 对于特定的同位素, 当n=1时, 赝自旋波函数劈裂随着l的增大而增大. 当n=2时, 中子的自旋波函数劈裂随着l的增大而增大. 当l=2或l=3时, 中子的自旋波函数劈裂随着n的增大而增大. 3) 中子和质子的赝自旋劈裂之间的差别总是比自旋劈裂的差别更大一些.     

自旋轨道耦合量子点系统中的量子相干

研究了自旋轨道耦合量子点中的量子相干效应.运用输运电子的全计数统计方法计算系统的平均电流、散粒噪声和偏斜,发现体系存在自旋轨道耦合作用时,散粒噪声值随自旋轨道耦合常数的增加而减小.更重要的是,电流、噪声和偏斜随磁通周期性波动,并且波动周期不受自旋轨道耦合强度大小、自旋极化率以及动力学耦合不对称的影响.