Mikrofalowy nanooscylator oparty na magnetycznym zlączu tunelowym: symulacja i eksperyment M. Czapkiewicz, M. Frankowski, W. Skowroński, T. Stobiecki Katedra Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie Cel Wstęp Mikrofalowy nanooscylator oparty na magnetycznym złączu tunelowym (Magnetic Tunnel Junction MTJ) generuje sygnal dzięki precesji wektora namagnesowania warstwy swobodnej. Detekcja sygnalu odbywa się poprzez zjawisko spinowo-zależnego tunelowania przez cienką barierę izolatora. Tunelowa magnetorezystancja zlącza 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. Podziękowania/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, project DI2011001541. Zasada dzialania nanooscylatorów • Stworzone na bazie pakietu OOMMF narzędzie do symulacji swobodnych i wymuszonych oscylacji namagnesowania warstwy swobodnej w nanooscylatorach MTJ, po dopasowaniu parametrów symulacji, prawidlowo odtwarza obserwowaną odpowiedź magnetorezystancyjną zlącza. Ponadto umożliwia ono analizę lokalnych zmian wektorów magnetyzacji, które nie są obserwowane bezpośrednio w eksperymencie. Metody pomiarowe precesji spinu Wnioski • Częstotliwość mikrofalowa nanozlącza może być przestrajana zarówno polem magnetycznym jak też i prądem stalym przeplywającym przez zlącze. Ponieważ oscylacje wektorów namagnesowania odbywają się wokól lokalnego efektywnego pola, które może być niejednorodne, dobroć rezonatora i czystość widmowa zależą nie tylko od stalych materialowych, ale też od wzajemnej orientacji wektorów magnetyzacji warstwy swobodnej i referencyjnej. Symulacje mikromagnetyczne ( ) ( ) s s eff s s s s p s p J J dm dm m H m am m m b m m dt dt γ α γ γ =- × + × - × × - × ur ur ur uur ur ur ur ur ur ur Precesja magnetyzacji pod wplywem efektywnego pola magnetycznego + transfer spinowego momentu pędu wskutek przeplywu spinowo- spolaryzowanego prądu (Spin Transfer Torque STT) – równanie LLG z poprawką Slonczewskiego J. C. Slonczewski, J. Magn. Magn. Mater. 159, L1 (1996) PIMM – uklad cienkowarstwowy przed nanofabrykacją Narzędzie – OOMMF – patrz poster MN|p–29 (M.Frankowski) PIMM pojedynczej warstwy Parametry: 100x100 nm, komórka 2x2x2 nm, Ku = 40 kJ/m 3 A = 13*10 -12 J/m, α= 0.01, t step =1 fs B ex = 10 mT, t w =100 ps 0 5 10 15 20 0.0000 0.0005 0.0010 0.0015 0.0020 0.0025 Frequency (Hz) Amplitude Problem: artefakty z powodu dyskretyzacji brzegu 0 5 10 15 20 0.0000 0.0005 0.0010 0.0015 0.0020 0.0025 0.0030 0.0035 0.0040 Frequency (GHz) Amplitude Rozwiązanie: rozmycie magnetyzacji na brzegu B ex = 10 mT t w =100 ps PIMM ukladu dwóch różnych warstw ferromagnetyka z przekladką (PSV) Parametry: 300x300 nm, komórka 2x2x1 nm, Ku1 = 40 kJ/m 3 , Ku2 =600 kJ/m 3 J EB = +0.0 mJ/m 3 , A = 13*10 -12 J/m, α = 0.01, t step =1 fs Konfiguracja magnetyzacji antyrównolegla (AP) – jeden mod drgań 0 5 10 15 20 25 Frequency (GHz) M y FFT Amplitude [a. u.] 0 5 10 15 20 25 TMR FFT Amplitude [a.u.] f [GHz] AP, H y 10mT/100ms -0.20 -0.15 -0.10 -0.02 0.00 0.02 0.0 0.2 0.4 m z m y m x 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 m z m y m x 0 1 2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 m y [a.u.] time [ns] 50 51 52 0 100 400 R [Ohm] time [ns] ST-FMR – nanozlącza z kontaktami RF Parametry: • częstotliwość rezonansowa • tlumienie 0 5 10 15 20 25 Frequency (GHz) M x FFT Amplitude [a. u.] 0 5 10 15 20 25 Frequency (GHz) M y FFT Amplitude [a. u.] 0 5 10 15 20 25 Frequency (GHz) M x FFT Amplitude [a. u.] 0 5 10 15 20 25 TMR FFT Amplitude [a.u.] f [GHz] AP, H y 10mT/100ms Konfiguracja magnetyzacji równolegla (P) – dwa mody drgań Porównanie z eksperymentem ST FMR MTJ SAF: CoFeB/MgO/CoFeB/Ru/CoFe/PtMn 3 4 5 6 7 250 350 450 550 650 FFT [a.u.] Frequency [GHz] External magnetic field (Oe) Parametry: 250x125 nm, komórka 2x2x1 nm, Ku FL = 1 kJ/m 3 , Ku RL = 20 kJ/m 3 Ku SAF = 60 kJ/m 3 , J EB(MgO) = +0.006 mJ/m 3 , J EB(Ru) = -0.19 mJ/m 3 EB = 80 mT A = 13*10 -12 J/m, α = 0.017 STO MTJ SAF: 2 4 6 8 10 0 2 4 6 f [GHz] Power (nV/Hz 0.5 ) External H 1000 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 zlączach MTJ przeznaczonych do pracy jako nanooscylatory. Dopasowanie parametrów w celu otrzymania zgodności z eksperymentem. ( 29 θ sin = y m ( 29 θ - - + = 1 cos 2 P AP P TMR R R R R 2 4 6 8 10 TMR FFT amplitude [a.u.] f [GHz] CoFeB/MgO/CoFeB/Ru/CoFe/PtMn Ku FL = 1 kJ/m 3 , V = 1.0 V (I = 2.4 mA), τ || +τ ⊥ +F Oe H ext >0, AP state H ext <0, P state RL FL SAF 1.0 1.5 2.0 2.5 0 2 4 6 8 10 Power [nV/Hz 0.5 ] Frequency [GHz] DC current -0.5 mA -1 mA -1.5 mA -1.7 mA Tlumiona precesja ← magnetyzacji Oscylacje magnetyzacji modulujące rezystancję → W. Skowroński et al. APEX, 5 (2012) 063005
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
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
Related Documents
