基于朗道-利夫席茨-吉尔伯特方程的自旋阀动力学研究进展
郭子政
【摘 要】巨磁阻效应的发现开辟了自旋电子学研究的新时代.目前,自旋电子学已经发展成为与磁学、半导体、微电子学、凝聚态物理等学科紧密结合的新学科.在自旋电子学研究中自旋阀结构,包括垂直自旋阀和横向自旋阀,发挥了至关重要的作用并成为各类自旋电子器件设计的基础.借助于各种自旋阀器件,人们又相继发现了Slonzeweski自旋转移矩、类场矩、自旋霍尔效应、自旋轨道矩等重要物理效应.本文将综述这些物理效应的概念及应用前景、面向应用需要解决的问题等等.我们将重点关注基于朗道-利夫席茨-吉尔伯特方程的动力学研究的进展情况.
【期刊名称】《信息记录材料》
【年(卷),期】souvenir2014(015)003
【总页数】9页(P56-64)
【关键词】自旋阀;自旋转矩;自旋轨道矩;朗道-利夫席茨-吉尔伯特方程
【作 者】wba郭子政
【作者单位】华南农业大学理学院应用物理系,广州510642
【正文语种】中 文
【中图分类】TQ58
1 引言
申请文书电子学的发展和应用已有一百多年的历史，但电路和电子器件中所利用和研究的基本上只是电流，也就是电荷的流动，与自旋完全无关。所以，目前的所谓电子器件实际上是以大量电子行为为基础的“电流”器件，应用的电子学也实际上是“电荷”电子学。目前电荷电子学的发展遇到困难，主要有3点：第1，经典极限问题。目前的多数电子器件中的电子运动服从经典的理论。目前由于器件尺寸不断减小，电子的隧道效应发生几率不断增加。当器件减少到纳米尺度时随时可能会引发量子效应而导致电子的非经典行为；第2，功耗问题。随着芯片的集成度和时间速度的大幅提高，电子在电路中流动的速度越来越快，功耗也会成倍增大，并最终导致芯片不能正常工作；第3，逻辑与记忆分离问题。目前的计算机仍然属
于冯诺依曼型计算机，即计算机的长期储存部分（硬盘）和逻辑部分是明显分开的，记忆功能集中在硬盘上，逻辑功能集中在CPU上，互相之间有一定距离，传递信息的速度很慢。能否制作人脑那样的逻辑和记忆合二为一的器件一直没有明确的答案，这也正是目前许多自旋器件设计的出发点之一。
目前，许多科学家都在思考如何突破电荷电子学发展的瓶颈问题。2010年科学杂志发表了题为“到了重新发明晶体管的时候了”的文章[1]，更是引起了人们的普遍重视。edon
自旋电子学器件对解决电荷电子学的瓶颈问题给出了希望。基于巨磁电阻(GMR)效应的磁性纳米多层膜和基于隧穿磁电阻 (TMR)效应的磁性隧道结(MTJ)，是目前制备和生产高密度磁存储硬盘中磁读头以及各类磁电阻磁敏传感器的最佳单元器件材料。MTJ还是发展磁随机存储器(MRAM)、磁逻辑、自旋纳米振荡器和微波探测器、自旋随机数字发生器、自旋忆阻器、自旋晶体管和自旋场效应管等新型自旋电子器件的重要材料。
虽然，自旋电子学研究风生水起，但真正投入应用的只有巨磁阻器件（包括磁头）和磁随机存储器(MRAM)。发现GMR效应的磁多层膜结构主要由铁磁/非磁金属/铁磁3层薄膜构成，一般称作自旋阀结构。早期的自旋阀是一种垂直结构（图 1），叫做垂直自旋阀（vertbeautify
ical spin valve，VSV）。如果将VSV中的非磁层取为薄的绝缘体层，此VSV即为MTJ。VSV不利于与其他器件大规模集成,另外，VSV属于局域自旋阀，无法分离电荷流和自旋流。近年来，人们已经将局域自旋阀的研究推广到横向自旋阀（lateral spin valve，LSV）。LSV是一种非局域自旋阀。非局域自旋阀可以分离电荷流和自旋流。胡敏读故事记单词
图1 垂直自旋阀（局域）和横向自旋阀（非局域）Fig 1 vertical spin valve(local)and lateral spin valve(non-local)
关于自旋阀的研究很多，本文主要关注其动力学特性的研究。在这方面，微磁学，特别是朗道-利夫席茨-吉尔伯特（Landau Lifshitz Gilbert，LLG）方程发挥了很大作用。
2 基于LLG方程的自旋阀的动力学研究
2.1 自旋转移矩效应及应用
上世纪末自旋电子学领域的一项重大发现，是极化电流导致的自旋转移矩 (spin transfer torque,STT)效应[2]。利用STT可实现电流诱导的磁化反转。除了翻转和进动，自旋极化电流还能使磁化强度发生持续的振荡甚至混沌行为。这种能够利用自旋矩产生磁化强度振荡
的装置叫做自旋矩纳米振子。
客人英文
2.1.1含自旋转矩的LLG方程
在宏观的磁动力学描述中,将自旋极化电流对局域磁化强度的影响约化为自旋矩,可得到一种推广的LLG方程。求解此方程,可研究在自旋极化电流作用下铁磁金属薄膜中自旋波、磁孤子和畴壁的动力学。这个推广的方程式是1996年Slonczewski最先提出的，因此也称作LLGS方程[2]。
2002年Zhang等人[3]在研究自旋极化电流激发磁矩反转机制时发现：电流垂直三明治结构的膜面的自旋转移矩应包含2部分，除人们熟知的Slonzeweski自旋转移矩(即前面所说的STT)外,还有一项类场 (field-like)矩。Slonzeweski自旋转移矩也称为面内自旋转移矩,或者平行自旋矩,这个转矩的作用是使自由层磁矩在面内转动。类场矩也称场效应自旋转移矩,面外自旋矩,或称为垂直自旋转移矩,它使自由层的磁矩沿垂直于面的方向运动。最近20年,人们对自旋转移矩驱动的磁矩反转进行了研究,但是大部分工作集中在Slonzeweski自旋转移矩,而忽略了类场矩的作用。这是因为在非磁性层为金属的磁性自旋阀结构中,类场矩只有Slonzeweski自旋转移矩的1%,所以可以将其忽略。但是在非磁性层为绝缘层的MTJ中,场效tvb是什么意思
应自旋转移矩是不可以忽略的,其大小大约是Slonzeweski自旋转移矩的10%～30%,甚至更高。这已经在2008年被实验证实[4,5]。所以在研究磁隧道结结构中的自旋转移矩效应时,必须同时考虑这2类自旋转移矩的影响。
极化电流可引发STT，从而激发磁矩反转，但电流会造成器件的功耗损失。能否将电流激发改成电压激发呢？这个问题人们已经利用铁电材料部分解决。目前，人们正在拓展其材料范围，即尝试非铁电材料能否也实现这一目标。MTJ是最有希望的材料之一。长期以来，电场对磁性材料磁性质有何影响一直没有定论。2003年，日本东北大学大野实验室的Daichi等人[6]报道了他们的研究结果，宣称电场可以显著降低存取资料所需的磁场大小。Daichi等人的实验是先在搀有锰(Mn)金属而具铁磁性的砷化铟(InAs)上，镀上一薄层绝缘体与金属电极，然后再通过电极对砷化铟施加电场。他们发现，当施加1.5MV/cm的电场时，所需要改变磁矩极性(进行数据写入)的磁场大小，是未加电场时的五分之一。说明电场有明显作用。
后来又相继发现电压控制的磁各向异性(voltage-controlled magnetic anisotropy,VCMA)[7]现象和电压控制的铁磁共振(voltage-induced ferromagnetic resonance,VIFR)[8]现象。
那么，电场对材料磁性的控制机制如何呢？研究表明，电场对磁动力学的影响是通过类场矩引入的。研究表明，类场矩与外加电压的平方成正比 [9-11]。但类场矩与偏压的关系尚有争议，需要进一步研究。
上面报道的自旋转矩现象是电流垂直膜面流动形成的。2004年,Zhang等人发现，电流沿磁性膜内流动也可形成自旋转矩，称为面内电流模式的自旋转移矩效应 [12]。虽然这种模式和电流垂直于膜面的自旋转移矩的本质是相同的，但是这两种模式还是不同的。这种模式可以应用在赛道存储器 (Racetrack Memory)上。这种模式下的自旋转移矩效应也包含绝热项和非绝热项两项。
2.1.2自旋转矩临界电流
如前所述，全电流器件STT-MRAM显示了巨大的应用潜力。但是STT驱动的MRAM单元磁化翻转需要较大的电流密度。实验表明这个电流密度在107～108A/cm2量级,这么高的电流密度会产生非常高的热量。对于纳米级MRAM记录单元,甚至会由于焦耳热的产生使MRAM存储单元温度升高并烧毁。焦耳热是限制MRAM大规模实际应用的因素,因此如何降低STT-MRAM工作电流密度是问题的关键所在。只有电流密度降低为 104～105A/cm2量级时，S
TT-MRAM才可实现广泛的实际使用。目前,多种方法被用来降低临界电流密度,例如:反对称的钉扎层、复合自由层、寻找新的材料等。虽然这些方法在降低临界电流密度上有了很大的突破，但是仍然还没有达到前面所述实际应用所需的临界电流密度量级。因此,目前STT-MRAM研究中的重点问题仍是如何进一步降低实现MRAM单元反磁化的临界电流密度,并且同时降低磁化反转时间,这也是STT-MRAM是否可以广泛进行实际应用的关键问题。
当前，研宄思路中考虑的主要是通过改变MRAM基本单元的材料组成、结构、各向异性等因素的影响,且实际的临界电流密度已经从108A/cm2降到106A/cm2量级,实现了较大突破。但是要继续大幅度降低临界电流密度己经十分困难。目前，降低STT临界电流密度的方法有下列几种：（1）利用微波。利用在垂直磁矩的方向上施加以微波磁场激发磁矩发生大角度的进动,磁矩反转所需要的能量减小，因此可以有效降低磁矩翻转所需要的STT电流密度;同时其磁化翻转所需时间也可变的更短，有望实现高速MRAM器件[13]。同时这种方法也可以与目前的降低临界电流密度的方法相结合，那么就有希望将临界电流密度降低到lO5A/cm2量级；（2）利用垂直平面的各向异性场。研究发现能够实现磁化反转的临界电流与面外(out of plane)退磁场成正比，因此降低退磁场成为减小临界电流的可行手段。文献[14]建议采用垂直于平面的各向异性场来降低退磁场[14]；（3）利用应力。实际上还可
怎样去澳大利亚留学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。研究表明，临界电流密度与矫顽力和面外(out of plane)退磁场之和成正比。显然，反方向的应力可以降低退磁场，但应力有没有可能增加矫顽力？根据文献报道，应力确实可以增加矫顽力。但这种计算多针对面内用力进行的，至于面外应力，目前还没有结论。文[15]在有效场中增加应力场，然后求解LLGS方程研究了应力对横向自旋阀临界电流的影响，结果表明应力确实可以有效减小退磁场，从而降低临界电流[15]。
研究表明，应力对磁性材料的物理性能如矫顽力、剩磁、各向异性、磁致伸缩、磁电阻、铁磁共振、自旋波等都有一定影响。目前对于矫顽力H c和剩磁M t的应力效应报道较多。一些作者的结果表明，在单畴近似下，H c和M t都是应力的单调函数，即随着应力增加，它们单调增加或减小。另一些作者的研究却说明M t确是应力的单调函数，但是H c随压力的变化关系却比较复杂。
