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
Top Related