[论文解读] Domain wall dynamics in stepped magnetic nanowire with perpendicular magnetic anisotropy

S. Al Risi, R. Sbiaa+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2020

Magnetic properties of thin films参考文献 46被引用 8

一句话总结

本研究提出一种具有垂直磁各向异性（PMA）的阶梯状磁性纳米线，以实现多比特/单元磁性存储中稳定的畴壁（DW）钉扎。通过引入自旋转移矩的微磁仿真，结果表明，DW速度随线宽减小和线厚增加而提高，去钉扎电流密度（Jdep）可被解析建模为各向异性能（Ku）和饱和磁化强度（Ms）的指数函数，从而实现低功耗存储应用的精确调控。

ABSTRACT

Micromagnetic simulation is carried out to investigate the current-driven domain wall (DW) in a nanowire with perpendicular magnetic anisotropy (PMA). A stepped nanowire is proposed to pin DW and achieve high information storage capacity based on multi-bit per cell scheme. The DW speed is found to increase for thicker and narrower nanowires. For depinning DW from the stepped region, the current density Jdep is investigated with emphasis on device geometry and materials intrinsic properties. The Jdep could be analytically determined as a function of the nanocontriction dimension and the thickness of the nanowire. Furthermore, Jdep is found to exponential dependent on the anisotropy energy and saturation magnetization, offering thus more flexibility in adjusting the writing current for memory applications.

研究动机与目标

• 开发基于具有垂直磁各向异性（PMA）的纳米线中畴壁（DW）运动的高容量磁性存储器。
• 解决在预设位置实现稳定DW钉扎以支持多比特存储的挑战。
• 研究器件几何结构和材料特性对去钉扎电流密度（Jdep）的影响，以确保在存储应用中可靠写入。
• 提供基于纳米线尺寸和本征磁性参数预测Jdep的解析框架。

提出的方法

• 基于朗道-李夫希茨-吉尔伯特（LLG）方程并引入自旋转移矩（STT）项，使用OOMMF框架进行微磁仿真。
• 建模长度为200 nm的纳米线，其宽度（w）和厚度（tz）可变，并引入尺寸为d（高度）和λ（长度）的阶梯状结以实现DW钉扎。
• 沿x方向施加自旋极化电流以驱动DW运动，初始磁化方向沿负z方向（垂直于平面）。
• 改变关键参数：纳米线宽度和厚度、阶梯区域尺寸（d, λ）、各向异性能（Ku）和饱和磁化强度（Ms）。
• 在LLG方程中同时使用绝热和非绝热自旋转移矩项，以模拟电流驱动下的DW动力学。
• 将Jdep数据拟合为指数函数：Jdep ∝ exp(Ku/t1) 和 Jdep ∝ exp(-Ms/t2)，以实现去钉扎阈值的解析预测。

实验结果

研究问题

• RQ1 阶梯状纳米线的几何结构如何影响PMA材料中畴壁（DW）速度和去钉扎电流密度（Jdep）？
• RQ2 去钉扎电流密度（Jdep）能否基于纳米线尺寸和材料特性进行解析建模？
• RQ3 垂直磁各向异性（Ku）和饱和磁化强度（Ms）如何影响阶梯区域处DW的稳定性和去钉扎行为？
• RQ4 何种器件几何结构与材料参数的组合可实现最低Jdep，以支持低功耗存储操作？

主要发现

• DW速度随纳米线厚度增加和宽度减小而提高，表现出与电流密度的线性依赖关系，且随宽度增加呈指数衰减。
• 去钉扎电流密度（Jdep）对垂直磁各向异性（Ku）呈指数增长依赖，当d = 25 nm时，拟合参数t1 = 4.5×10^5 J/m³。
• Jdep对饱和磁化强度（Ms）呈指数衰减依赖，当d = 25 nm时，拟合参数t2 = 345 kA/m，表明具有强可调性。
• 当Ku = 5.0×10^5 J/m³时，DW在J = 4.1×10^11 A/m²下保持钉扎时间小于5 ns，但当Ku更高时（如10×10^5 J/m³），稳定性显著增强。
• 通过几何设计（增加d或减小λ）或提高Ku并降低Ms，可实现DW在阶梯区域的稳定钉扎。
• 解析模型Jdep ∝ exp(Ku/t1) 和 Jdep ∝ exp(-Ms/t2) 可实现对Jdep的精确调控，以优化存储性能。