微波辅助自旋转移矩磁性随机存储器的研究

本课题拟针对可以实现更低临界电流密度的新型微波辅助自旋转移矩（Spin transfer torque）磁性随机存储器(MRAM)进行研究，探索构成MRAM材料的各向异性控制方法和工艺，研究结构、尺寸和形状对MRAM基本单元性能的影响，以获得合适的微波共振频率，再通过外加辅助微波磁场实现对MRAM的磁化翻转有效控制，最终达到降低自旋转移矩临界电流密度的目的。项目拟根据目标设计特定spin transfer torque MRAM纳米结构器件，研究并制备各向异性可控的磁性材料，并研究高频特性的测量与人工调控，探索微波场施加参数和模式，阐明微波辅助spin transfer torque MRAM的工作机理，以便降低MRAM记录信号反转所需临界电流密度和磁化翻转时间。该研究将不仅对于spin transfer torque研究具有理论指导意义，在MRAM进一步实际应用方面也具有重要价值。

磁随机存储器(MRAM)是指利用磁电阻性质的变化存储数据的随机存储器，当前的一个关键问题是为了提高记录密度，存储单元将要减小到纳米尺寸，此时写入信息所需要的电流明显大幅增加。利用自旋转移矩效应（STT effect)可以只有降低电流密度，但是仍然不够。本研究课题采用微波辅助办法实现的自旋转移矩效应等多种手段尝试降低电流密度，研究结果表明适当频率和功率的微波，可以将磁化反转电流密度降低到原先的25%。. 通过溅射和电镀等多种方法制备了不同软磁薄膜（FeCo、FeNi、FeCoZr)等，通过应力调控、倾斜溅射、激光刻蚀等手段产生形状各向异性和感生各向异性等多种各向异性的共同作用实现了材料的高频磁导率和共振频率在GHz频段的调控。研究并改进了薄膜的高频动态磁导率和共振频率的实验测量手段。. 通过微波磁场辅助的方法，降低了自旋阀和磁性隧道结中磁化反转所需临界电流密度。研究结果表明，微波磁场振幅和频率对临界电流密度的减小量影响非常大：临界电流密度随着微波磁场振幅的增加而减小；微波磁场辅助存在一个最优频率，当微波磁场频率等于最优频率时临界电流密度减小量最大。微波磁场辅助的最优频率等于自旋阀或磁性隧道结的自然共振频率。同时，在微波磁场辅助下磁化反转时间也可以减小。. 在不同偏振形式的微波磁场辅助下，临界电流密度和磁化反转时间的减小量不同。我们针对线偏振和圆偏振微波磁场辅助自旋转移矩激发磁化反转的研究发现，圆偏振微波磁场辅助下临界电流密度和磁化反转时间小于线偏振微波磁场辅助下的结果。. 垂直各向异性不仅可以影响材料动态磁性而且也影响自旋转移矩激发磁化反转。对于In-plane自旋阀结构，其自然共振频率和自旋转移矩效应激发自由层磁化反转所需临界电流密度随着垂直各向异性常数的增加而减小。而对于Out-plane磁性隧道结而言，临界电流密度以及自然共振频率随着磁晶各向异性常数的增加而增加。