应变辅助电流感应磁化开关的微磁模拟

抽象的

采用微磁模拟与相场微弹性理论相结合的方法，研究了衬底失配应变对磁隧道结中电流感应磁化开关的影响。结果表明，衬底正错配应变通过将磁化强度从面外方向推到面内方向，降低了磁化开关的临界电流密度，而负应变则将磁化强度推回到面外方向。磁畴演化结果表明了应变辅助电流感应磁化开关。

1.介绍

自从Sun等人[1.Sun等人[2.]由于铁磁材料中自旋转移力矩（STT）效应的提出，近几十年来，STT因其在磁性器件中的潜在应用而引起了人们的广泛关注[3.–8.］.在STT效应中，电子的角动量可以转化为铁磁磁化。在STT驱动的磁化动力学中有三个主要的影响:电流感应磁化开关[9–12]，电流驱动的磁化振荡[4.,13,14]，及电流驱动畴壁运动[15–20.］.将电流感应磁化开关应用于磁随机存取存储器(MRAM)中，具有存储密度大、开关速度快、能耗低、避免交叉写等优点。电流感应磁化开关还消除了在写入时相邻单元之间的串扰[21.]此外，STT-MRAM具有几乎无限的耐久性，所需能量更少，速度比传统磁场控制MRAM更快。然而，高临界开关电流密度必须减少STT-MRAM以实现与金属氧化物半导体技术的相容性。

有很多减少的尝试例如，使用CoFeB作为自由层以降低饱和磁化强度[22.]; 采用双自旋滤波器结构[23.]和反铁磁钉扎结构[24.]或插入Ru自旋散射层以增加自旋散射[25.]；使用由两个不同耦合类型的铁磁层组成的复合自由层[26.–28.];或者使用基于Heusler的旋转阀纳米玻璃[29.］.在磁性薄膜中，可以有效地利用该菌株来调整磁畴结构[30.–33.］.例如，可以在各向同性双轴内部菌株下切换磁化和平面外取向[34.,35.]或在各向异性双轴在面内菌株下旋转膜平面[36.].最近，Pertsev和Kohlstedt[37.]在热力学计算的基础上，通过衬底失配应变的辅助，可以大大降低自旋阀自由磁层180°磁化转换所需的临界电流密度。热力学计算使总自由能最小化，以获得均匀的磁化分布n、 但是，微磁模拟提供了磁化开关的微观结构演化，传统的微磁模拟没有考虑这种弹性效应，因此不能用于研究基板失配应变对STT诱导磁化开关的辅助作用。

本文将相场微弹性理论与微磁模拟相结合，研究了引起磁化开关临界电流密度降低的失配应变。特别地，我们基于失配应变诱导的90°磁化开关研究了STT诱导的CoFeB磁隧道结180°磁化开关[38.］.首先，我们讨论了我们的结果，使用迟滞环显示临界电流密度的降低。然后，我们通过显示磁化和磁畴演化来讨论基底应变辅助在STT诱导磁化开关中的作用。

2.模型描述

如图所示1.，我们研究了具有CoFeB（2）结构的自旋阀纳米柱 纳米/MgO（2） nm）/CoFeB（16 平方横截面积的（nm）(纳米^2.)．采用笛卡尔坐标系，电流沿-轴。一层薄薄的MgO层将两个CoFeB层隔开，底部的CoFeB层是自由层。自旋极化电流驱动自由层的磁化动力学。顶部的CoFeB层是固定层及其磁化矢量沿着积极的方向-轴。初始磁化矢量这一层的正负方向设在。自旋阀自由层的横向长度完全受到刚性基体的约束。我们一般定义衬底应变．正电流被定义为从固定层流向自由层的电子。在底部，一个铁电层被用来调节输出应变。在本文中，根据STT理论，正电流会导致并联结构(P，“1”)，负电流会导致反并联结构(AP，“0”)。

我们使用广义Landau-Lifshitz-Gilbert-Slonczewski (LLGS)方程来描述磁化动力学[39.,40]， 其中第一项表示进动扭矩，第二项表示吉尔伯特阻尼扭矩。是有效场,，,是电子回旋磁比，和为无量纲阻尼参数。有效场包括各向异性场、退磁场、外场、弹性场和交换场;也就是说,,鉴于 在哪里是总能量，表示为， 在哪里,,,,是各向异性能量（包括磁晶和形状各向异性）[41.]，退磁能，塞曼能，弹性能和交换能。获得的细节,,,,可以在我们以前的论文中找到[41.–43.].最后两个任期在(1.)描述倾向于将磁化从初始状态拖到最终状态的STT[39.,40],  ， 在哪里是自旋极化常数，和图中是自由层和固定层的磁化强度吗1.，和角度之间的角度和是．．对应的有效场由， 在哪里,,,,分别为玻尔磁子、电流密度、自由层厚度、电子电荷和饱和磁化强度。

模拟中采用的磁参数如下：饱和磁化强度/ m (44.,45.， Gilbert阻尼参数[46.]，自旋极化因子[47.，磁各向异性常数J / m^3.和  [37.]，弹性常数纳米^−2.,纳米^−2.,纳米^−2.[37.和磁致伸缩常数 ppm and 百万分之一[44.,45.］.我们调查了正常底物菌株的影响和采用高斯-赛德尔投影法和半隐式傅里叶谱法数值求解含时LLGS方程，研究了磁化动力学[48.–53.］.样品在计算单元中离散纳米^3.．

3.结果和讨论

数字2.显示衬底失配应变的滞后回路(和0.5%)。在没有施加应变的情况下，有一个磁化强度与电流密度的平方滞后回路(-） 曲线。临界电流密度是/米^2.从AP到P和/米^2.从P到AP，在双轴应变为0.5%时，我们观察到磁化开关的临界电流密度降低（红色磁滞回线）/米^2.从AP到P和/米^2.从p到ap。通过将磁化从面内侧推向面内方向，正基板错配应变通过将磁化推向平面方向而降低临界电流密度。因此，在辅助STT诱导的磁化切换方面可以有效地使用基板错配菌株。

数字3.显示磁化元件的演变具有不同的电流密度和衬底错入菌株。对于黑线，磁化沿初始-轴和保持AP结构没有施加的电流和应变。红色和粉红色的线代表在电流密度时从AP到P和从P到AP的磁化转换/米^2.和/米^2.．由于施加的电流密度大到足以克服势垒，磁化强度将在负或正电流密度下从AP转换到P或从P转换到AP。我们以AP到P的磁化转换为例，来说明失配应变的影响。若为双轴阳性应变施加时，磁化开关(青线)比无应变开关(红线)快。然而，双轴负应变将延长磁化开关的时间(蓝线)。产生这种现象的机理是由于正应变将磁化强度沿面内方向拖动，而负应变将磁化强度推回到面外方向。

我们可以用磁畴演化来说明失配应变的影响。如图所示4.，我们以电流密度显示相应的磁化分布/米^2.在不同的外加应变下，三行分别对应于红色（零应变）、青色（0.5%）和蓝色的磁化转换()图中的线条3.．颜色代表不同的区域:紫色是，红色是，其他颜色为畴壁面积。我们观察到磁化强度从初始值开始改变-axis进入决赛-AXIS由于电流密度输入大。该多麦片演化过程由大电流输入能源产生。在第一行中，初始磁化沿着-轴。没有应变时，磁化转换过程从自由层的外部开始到内部。然而，在负应变时，磁化转换过程从自由层的内部开始到外部。对于正应变，我们可以观察到成核从中心开始并扩散到边缘.

4.结论

综上所述，我们通过相场法和微磁模拟相结合的方法研究了CoFeB基磁性隧道结中应变辅助STT诱导的磁化开关。我们提出了一种使用应变辅助STT诱导的磁化开关而不是使用外部磁场的有效方法双轴衬底失配应变将磁化力拖向面内方向，临界电流密度和开关时间显著降低。

相互竞争的利益

提交人声明没有关于本文的出版物的竞争利益。

致谢

国家自然科学基金面上项目(no . 11504020)。

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