Mikrofalowy nanooscylator oparty na magnetycznym złączu tunelowym: symulacja i eksperymentM. Czapkiewicz, M. Frankowski, W. Skowroński, T. Stobiecki

Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie

CelWstęp Mikrofalowy nanooscylator oparty na magnetycznym złączu tunelowym(Magnetic Tunnel Junction MTJ) generuje sygnał dzięki precesji wektora namagnesowania warstwy swobodnej. Detekcja sygnału odbywa się poprzez zjawisko spinowo-zależnego tunelowania przez cienką barierę izolatora. Tunelowa magnetorezystancja złącza zależy od kąta między wektorem namagnesowania warstwy swobodnej i twardej magnetycznie warstwy referencyjnej. Precesja może być wzbudzona zewnętrznym zmiennym polem magnetycznym bądź, wykorzystując spinową polaryzację prądu, transferem spinowego momentu pędu.

Podzi ęęęękowania/acknowledgements:The study was co-financed through the Swiss Contribution, project NANOSPIN-PSPB-045/2010,National Science Centre, grant 11.11.230.016 and Ministry of Science and Higher Education,Diamond Grant, projectDI2011001541.

Zasada działania nanooscylatorów

• Stworzone na bazie pakietu OOMMF narzędzie do symulacji swobodnych i wymuszonych oscylacji namagnesowania warstwy swobodnej w nanooscylatorach MTJ, po dopasowaniu parametrów symulacji, prawidłowo odtwarza obserwowaną odpowiedź magnetorezystancyjną złącza. Ponadto umożliwia ono analizę lokalnych zmian wektorów magnetyzacji, które nie są obserwowane bezpośrednio w eksperymencie.

Metody pomiarowe precesji spinu

Wnioski• Częstotliwość mikrofalowa nanozłącza może być przestrajana zarówno polem magnetycznym jak też i prądem stałym przepływającym przez złącze. Ponieważ oscylacje wektorów namagnesowania odbywają się wokół lokalnego efektywnego pola, które może być niejednorodne, dobroć rezonatora i czystość widmowa zależą nie tylko od stałych materiałowych, ale też od wzajemnej orientacji wektorów magnetyzacji warstwy swobodnej i referencyjnej.

Symulacje mikromagnetyczne

( ) ( )s seffs s s s p s pJ J

d m d mm H m a m m m b m m

dt dtγ α γ γ= − × + × − × × − ×

ur urur uur ur ur ur ur ur ur

Precesja magnetyzacji pod wpływem efektywnego pola magnetycznego+ transfer spinowego momentu pędu wskutek przepływu spinowo-spolaryzowanego prądu (Spin Transfer Torque STT) – równanie LLG z poprawką Slonczewskiego

J. C. Slonczewski, J. Magn. Magn. Mater. 159, L1 (1996)

PIMM – układ cienkowarstwowy przed nanofabrykacją

Narzędzie – OOMMF – patrz poster MN|p–29 (M.Frankowski)

PIMM pojedynczej warstwyParametry: 100x100 nm, komórka 2x2x2 nm, Ku = 40 kJ/m3 A = 13*10-12 J/m, α= 0.01, tstep=1 fs

Bex = 10 mT, tw=100 ps

0 5 10 15 200.0000

0.0005

0.0010

0.0015

0.0020

0.0025

Frequency (Hz)

Am

plitu

de

Problem: artefakty z powodu dyskretyzacji brzegu

0 5 10 15 200.0000

0.0005

0.0010

0.0015

0.0020

0.0025

0.0030

0.0035

0.0040

Frequency (GHz)

Am

plitu

de

Rozwiązanie: rozmycie magnetyzacji na brzeguBex = 10 mT tw=100 ps

PIMM układu dwóch różnych warstw ferromagnetyka z przekładką (PSV)Parametry: 300x300 nm, komórka 2x2x1 nm, Ku1 = 40 kJ/m3, Ku2 =600 kJ/m3

JEB = +0.0 mJ/m3, A = 13*10-12 J/m, α = 0.01, tstep=1 fs

Konfiguracja magnetyzacji antyrównoległa (AP) – jeden mod drgań

0 5 10 15 20 25

Frequency (GHz)

My F

FT

Am

plitu

de [a

. u.]

0 5 10 15 20 25

TM

R F

FT

Am

plitu

de [a

.u.]

f [GHz]

AP, Hy 10mT/100ms

-0.20

-0.15

-0.10

-0.02

0.00

0.02

0.0

0.2

0.4

mz

m ymx

0.26

0.28

0.30

0.32

-4.0x10-13

-2.0x10-13

0.0

2.0x10-13

0.0

2.0x10-12

4.0x10-12

mz

m ym

x

0 1 2

-0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

my [a

.u.]

time [ns]

50 51 520

100

400

R [O

hm]

time [ns]

ST-FMR – nanozłącza z kontaktami RF

Parametry: • częstotliwość rezonansowa• tłumienie

0 5 10 15 20 25

Frequency (GHz)

Mx F

FT

Am

plitu

de [a

. u.]

0 5 10 15 20 25

Frequency (GHz)

My F

FT

Am

plitu

de [a

. u.]

0 5 10 15 20 25

Frequency (GHz)

Mx F

FT

Am

plitu

de [a

. u.]

0 5 10 15 20 25

TM

R F

FT

Am

plitu

de [a

.u.]

f [GHz]

AP, Hy 10mT/100ms

Konfiguracja magnetyzacji równoległa (P) – dwa mody drgań

Porównanie z eksperymentemST FMR MTJ SAF: CoFeB/MgO/CoFeB/Ru/CoFe/PtMn

3 4 5 6 7

250 350 450 550 650

FF

T [a

.u.]

Frequency [GHz]

External magnetic field (Oe)

Parametry: 250x125 nm, komórka 2x2x1 nm, KuFL= 1 kJ/m3, KuRL= 20 kJ/m3 KuSAF= 60 kJ/m3, JEB(MgO)= +0.006 mJ/m3, JEB(Ru)= -0.19 mJ/m3 EB = 80 mTA = 13*10-12 J/m, α = 0.017

STO MTJ SAF:

2 4 6 8 100

2

4

6

f [GHz]

P

ower

(nV

/Hz0.

5 )

External H1000 Oe

500 Oe

200 Oe

0 Oe

-200 Oe

-500 Oe

- 1000 Oe

Stworzenie narzędzia mikromagnetycznego opartego na metodzie elementów skończonych (Finite Elements Method FEM) do analizy widma odpowiedzi rezystancyjnej generowanej wskutek precesji swobodnej bądź wymuszonej lokalnych wektorów magnetyzacji w rzeczywistych złączach MTJ przeznaczonych do pracy jako nanooscylatory. Dopasowanie parametrów w celu otrzymania zgodności z eksperymentem.

( )θsin=ym

( )θ−−+

=

1cos2

PAPP

TMR

RRR

R

2 4 6 8 10

TM

R F

FT

am

plitu

de [a

.u.]

f [GHz]

CoFeB/MgO/CoFeB/Ru/CoFe/PtMn

KuFL

= 1 kJ/m3, V = 1.0 V (I = 2.4 mA), τ||+τ

⊥+F

Oe

Hext

>0, AP state

Hext

<0, P state

RL

FL

SAF

1.0 1.5 2.0 2.5

0

2

4

6

8

10

Po

wer

[n

V/H

z0.5]

Frequency [GHz]

DC current

-0.5 mA

-1 mA

-1.5 mA

-1.7 mA

Tłumiona precesja ← magnetyzacjiOscylacje magnetyzacji modulujące rezystancję →

W. Skowroński et al. APEX, 5 (2012) 063005