外国色情片 坡莫合金纳米环微磁学特质推敲 Micromagnetic Properties of Permalloy Nanorings

发布日期：2024-10-08 14:18    点击次数：173

三峡大学，理学院外国色情片，湖北省弱磁探伤工程时刻推敲中心，湖北 宜昌

收稿日历：2020年9月25日；托福日历：2020年10月8日；发布日历：2020年10月15日

摘抄

基于微磁学软件MuMax3，咱们推敲了外磁场下不同几何风光的磁性纳米环(Ni80Fe20)的磁化翻转经由，除了预期的洋葱态和漩涡磁化气象外，在磁化经由中还不雅察到其它亚稳态。通过磁矩翻转相图和能量密度关联，分析了不同磁化气象的酿成和跃迁，以及磁矩翻转经由中畴壁的传播和消释。咱们进一步推敲了极化电流驱动Ni80Fe20/Cu/Ni80Fe20磁性纯正结中磁矩翻转的经由，推敲发现，纳米环纯正结磁矩翻转的电流密度为3.4 × 107 A/cm2，临界电流密度大小为传统纯正结的0.63倍，两者的磁矩翻转时期有时疏浚，约为1000 ps。

缺陷词

MuMax3，坡莫合金，磁性纳米环，磁性纯正结

Micromagnetic Properties of Permalloy Nanorings

Yingchen Li， Yongxin Wang， Ze Yan， Lei Liu， Fukang Ding

Hubei Engineering Research Center of Weak Magnetic-Field Detection， College of Science， Three Gorges University， Yichang Hubei

Received: Sep. 25th， 2020; accepted: Oct. 8th， 2020; published: Oct. 15th， 2020

ABSTRACT

Based on the micromagnetic software MuMax3， we studied the magnetization reversal process of different geometric shapes of magnetic nanorings (Ni80Fe20) in an external magnetic field. In addition to the expected onion state and vortex magnetization state， other metastable states were observed in the magnetization process. The formation and transition of different magnetization states， as well as the propagation and annihilation of domain walls in the process of magnetic moment reversal are analyzed through the phase diagram and energy density relationship. Furthermore， we studied the process of magnetic moment reversal in Ni80Fe20/Cu/Ni80Fe20 magnetic tunnel junctions driven by polarization current. The results show that the current density of magnetic moment reversal in nanoring tunnel junctions is 3.4 × 107 A/cm2， and the critical current density is 0.63 times of that in traditional tunnel junctions. The time of magnetic moment reversal is about 1000 ps.

Keywords:MuMax3， Permalloy， Magnetic Nanorings， Magnetic Tunnel Junction

Copyright © 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0).

1. 小序

微不雅铁磁结构由于其在各个界限领有巨大时刻应用后劲，以及展示出丰富的物理学特质，连年来引起了东说念主们的庸碌诊疗 [1] [2] [3]。由于磁电子的潜在踏实性和高存储密度，当今对磁通闭合气象的推敲荒谬活跃，铁磁性纳米环荒谬兴趣，因为它们暴露出荒谬踏实的磁通闭合气象“涡旋态”，在这一气象下，磁化强度M沿着环的边际顺时针或逆时针场所摆设 [4]。关联词在一个外磁场作用经由中，铁磁纳米环具有两种磁化气象，第一种是涡旋态，即磁矩沿纳米环旋转摆设，另外一种为洋葱态，具有两个相对的头仇敌畴壁铁磁性纳米环。在单个纳米环中，洋葱态在剩磁下是踏实的 [5]。结构关于纳米环磁矩的翻转及磁畴领略有着显赫的影响，在这里，咱们更为邃密地推敲了不同尺寸下洋葱态–涡旋态–洋葱态这一中间经由。

本文通过MuMax3微磁，模拟推敲了不同宽度和厚度下的Ni80Fe20磁性纳米环的磁化经由，在磁矩翻转的经由中，咱们发现了一种新的亚稳态，况兼从交换能、退磁能和塞曼能的互筹办系间证据了这一阵势。咱们的职责更邃密地描述了这也曾由，填补了磁性纳米环翻转经由的中间空缺。同期咱们推敲了电流驱动Ni80Fe20 (2.5 nm)/Cu (0.5 nm)/Ni80Fe20 (2.5 nm)磁性纯正结磁矩翻转，对比了纳米环纯正结与圆盘状纳米薄膜的翻转电流密度和时期，况兼提议了奥斯特场缓助磁矩翻转的见地，对磁性纳米环状磁性纯正结的发展有伏击真理真理。

2. 微磁学模拟

在模拟中，MuMax3使用二维或三维正交网格对空间进行有限差分龙套化，进而求解Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG)方程 [6]。咱们期骗微磁学软件MuMax3推敲了Ni80Fe20合金磁性纳米环的磁矩翻转经由。该样子不错灵验地模拟磁性纳米材料的动态磁化经由，即扫数自旋从运转构型脱手，总能量呈下落趋势。凭据运转气象的不同，系统会演化成顺时针或逆时针磁化构型的踏实或亚稳态。微磁仿真模子环的环厚t (10/30/50/70 nm和2.5 nm)，环宽d (25/50/100/125/150 nm)，外径D (300 nm)。在模拟中，微磁均衡方程在正方形网格中求解，网格尺寸为1 nm，自旋可在三维中解放旋转，磁场沿着纳米环面内从−0.2T过渡到+0.2T。

3. 模拟效果与扣问

3.1. Ni80Fe20纳米环的磁化经由

用于微磁模拟的Ni80Fe20纳米材料的物理参数为程序坡莫合金参数：满盈磁化强度Ms = 5 × 105 A/m，交换常数A = 13 × 10−12 J/m，阻尼悉数α = 0.015和磁晶各向异性常数K1 = K2 = 0。图1(a)中展示了微磁学模拟所用的纳米环模子，纳米环外径D为300 nm，模拟中纳米环宽度d折柳为25 nm、50 nm、100 nm、125 nm和150 nm，厚度h折柳为10 nm、30 nm、50 nm和70 nm。在这里咱们需要详确，当d = 150 nm时，纳米环隐没，模子为圆形纳米薄膜。

在图1(b)中，咱们不错不雅测到，当D = 300 nm、d = 150 nm、h = 10 nm时，磁滞回线为典型的坡莫合金构型，领有较小的矫顽力，发扬出精熟的软磁特质。当D = 300 nm、h = 10 nm、d = 125/100/50/25 nm时，磁滞回线展示出多重磁化气象，况兼跟着宽度d的减小，纳米环矫顽力缓缓增大，亚稳态更易成型，且低场下磁矩不易满盈。图1(c)中，咱们模拟了D = 300 nm、d = 100 nm、h = 10/30/50/70 nm时，Ni80Fe20纳米环的磁滞回线。跟着厚度d的加多，纳米环矫顽力缓缓增大，亚稳态更易酿成且愈加的踏实，不易受外磁场的影响。

图1. (a) 微磁模拟纳米环模子。(b) D = 300 nm、d = 25/50/100/125/150 nm、h = 10 nm时，Ni80Fe20纳米环的磁滞回线。(c) D = 300 nm、d = 100 nm、h = 10/30/50/70 nm时，Ni80Fe20纳米环的磁滞回线

为了进一步明确纳米环在外磁场下，畴壁的位移、产生及消释的经由，咱们折柳对D = 300 nm、d = 100 nm、h = 10 nm的纳米环与D = 300 nm、d = 150 nm、h = 10 nm的圆形纳米薄膜进行磁滞回线模拟及磁化翻转相图的动态不雅测。模拟效果折柳默示在图2(a)和图2(b)。图2(b)磁滞回线中罗马数字(I、II、III和IV)对应的磁矩气象默示在图2(b)右侧，不错昭着不雅测到，跟着磁场场所的回转，圆形坡莫合金纳米薄膜由一个单畴态径直突变为另一个单畴态。关联词关于D = 300 nm、d = 100 nm、h = 10 nm的纳米环，磁矩翻转经由中存在多种踏实气象，磁滞回线及磁矩翻转相图微磁学模拟效果默示在图2(a)。为了取得磁化翻转经由的精信服息，咱们聘请了磁矩翻转经由中具有代表性的中间时刻。当磁矩达到满盈后，纳米环呈现洋葱态(onion state)，对应于图2(a)中的经由①和⑥。经由③对应为另外一种稳态–涡旋态(vortex state)，在涡旋态下，纳米环的的磁化强度沿着环摆设，不错是顺时针场所，也不错是逆时针场所，况兼呈现出磁通量闭合的气象。由洋葱态变为涡旋态的这也曾由，并不是通过畴壁领略酿成的，而是通过径直回转洋葱态的磁畴来竣事的，图2(a)中经由②默示了洋葱态磁畴回转的中间经由，纳米环上方畴壁先产生，尔后下方畴壁产生。除了洋葱型和涡旋型两种稳态外，咱们还不错不雅察到从一种稳态革新为另一种稳态时出现的亚稳态，图2(a)中经由④默示，在磁场的驱动下，涡旋态革新为洋葱态的经由中，纳米环险阻两侧头仇敌的磁畴壁在同期出现，然后沿着纳米环逆时针旋转，并冉冉沿外磁场摆设，最终酿成洋葱态。

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咱们通过分析不同尺寸下Ni80Fe20纳米环退磁能密度和交换能密度与外磁场的关联，证据了由洋葱态–涡旋态–洋葱态这也曾由中亚稳态出现的原因及畴壁的产生、转移和消释。如图3(a)，模拟效果标明，当外磁场由正向最大减小时，不同尺寸的Ni80Fe20纳米环塞曼能密度减小，退磁能密度减小，交换能密度增大。相似大小的外场下，纳米环宽度d增大，所对应的塞曼能密度和交换能密度增大，这就证据了图1(b)中，跟着纳米环宽度减小，矫顽力增大，但磁化强度却减小。如图3(b)和图3(c)，当磁场为−168 Oe时，交换能密度与退磁能密度已而增大，且单调递加直到外磁场为−773 Oe，对应于图2(a)中经由③，由洋葱态变为涡旋态。交换能成心于在纳米材料中酿成漩涡态，且切换经由不是通过畴壁领略，而是通过径直回转洋葱态的畴来竣事。在图3中，外磁场为−774 Oe直到−877 Oe，交换能减小，而塞曼能与退磁能加多，磁矩倾向于沿外磁场摆设，头仇敌磁畴壁酿成，发扬为涡旋态调换为洋葱态中间亚稳态出现，对应于图2(a)中经由④。跟着外磁场赓续增大，交换能密度趋向于0 J/cm3，塞曼能与退磁能加多，但塞曼能加多快率深广于退磁能加多快率，磁矩险些一说念沿外磁场摆设，完成由涡旋态到洋葱态的调换。

图2. (a) D = 300 nm、d = 100 nm、h = 50 nm Ni80Fe20纳米环磁滞回线及磁矩翻转相图。(b) D = 300 nm、d = 150 nm、h = 50 nm Ni80Fe20圆形纳米薄膜磁滞回线及磁矩翻转相图

图3. (a) 不同宽度纳米环塞曼能密度与外场的关联。(b) 不同宽度纳米环退磁能密度与外场的关联。(c) 不同宽度纳米环交换能密度与外场的关联

3.2. Ni80Fe20/Cu/Ni80Fe20纳米环纯正结

关于传统矩形和卵形结构的磁性纯正结，磁体边际更易酿成磁畴，且具有杂散场，不同存储单位之间互相影响，不利于高密度存储器的制备 [7] [8]。固然圆形结构纯正结不错酿成涡旋态，惩处了边际磁畴的出现及杂散场这一问题，关联词圆形结构存在一个高能且磁矩起义行于面内的涡旋核，在加外磁场时，翻转经由就会受到涡旋核的影响，从而变得复杂 [9] [10]。相对而言，纳米环结构纯正结具有以下优点：① 纳米环结构纯正结无杂散场且莫得涡旋核出现，翻转经由通俗且存储密度高；② 纳米环结构具有涡旋态和洋葱态两种构型，领有更为丰富的磁学特质；③ 环形器件在输入电流时，不错产生奥斯场，缓助磁矩翻转，领有更小的翻转电流密度。

进一步推敲磁性纳米环在磁存储器件中的应用，咱们模拟了Ni80Fe20 (2.5 nm)/Cu (0.5 nm)/Ni80Fe20 (2.5 nm)纯正结在极化电流下磁矩的翻转经由。纯正结的构型为纳米环和圆盘形纳米薄膜，外径D = 300 nm、d = 100 nm，底层Ni80Fe20磁矩设定为与+X轴夹角为270˚，顶层Ni80Fe20磁矩场所与+X场所平行。输入电流沿+Z场所，经过底层Ni80Fe20后，电流变为极化电流，极化场所与+X轴夹角为270˚，经过Cu层后转矩作用在顶层Ni80Fe20。模拟效果默示在图4，对比图4(a)与图4(b)，纳米环中输入电流达到95 mA时，对应的电流密度为3.4 × 107 A/cm2，磁矩完成翻转；而关于相似规格的圆盘形纳米薄膜，电流需要达到135 mA才不错翻转磁矩，对应的电流密度为5.4 × 107 A/cm2。纳米环竣事磁矩翻转所需的临界电流密度为圆盘形纳米薄膜的0.63倍，产生这一阵势的原因是，当环形器件在输入电流时，不错产生奥斯场，缓助磁矩翻转，领有更小的翻转电流密度。同期咱们对比了磁矩翻转所需的时期，两者无昭着诀别，约莫为1000 ps，如图4(c)与图4(d)，这主若是由于关于兼并种材质样品，磁矩的进动频率疏浚。

图4. (a) D = 300 nm、d = 150 nm、h = Ni80Fe20 (2.5 nm)/Cu (0.5 nm)/Ni80Fe20 (2.5 nm)纯正结在不同极化电流下磁矩翻转相图。(b) D = 300 nm、d = 100 nm、h = Ni80Fe20 (2.5 nm)/Cu (0.5 nm)/Ni80Fe20 (2.5 nm)纯正结在不同极化电流下磁矩翻转相图。(c) D = 300 nm、d = 150 nm、h = Ni80Fe20 (2.5 nm)/Cu (0.5 nm)/Ni80Fe20 (2.5 nm)纯正结在135 mA极化电流下，不同时期磁矩的气象。(d) D = 300 nm、d = 100 nm、h = Ni80Fe20 (2.5 nm)/Cu (0.5 nm)/Ni80Fe20 (2.5 nm)纯正结在95 mA极化电流下，不同时期磁矩的气象

4. 论断

总而言之，通过MuMax3微磁模拟推敲了Ni80Fe20磁性纳米环的磁化经由。通过无数的策画，证据了Ni80Fe20磁性纳米环的磁矩翻转与纳米环物理尺寸的关联，包括宽度和厚度。在磁矩由涡旋态变为洋葱态的经由中，Ni80Fe20磁性纳米环出现了一种新的亚稳态，这一阵势的出现是由于交换能的减小，而退磁能与塞曼能的陡增，磁畴壁逆时针领略到纳米环独揽两侧。同期咱们推敲了电流驱动Ni80Fe20 (2.5 nm)/Cu (0.5 nm)/Ni80Fe20 (2.5 nm)磁性纯正结磁矩翻转，发现纳米环纯正结磁矩翻转所需的电流密度是圆盘状纳米薄膜的0.63倍，这一效果归因为奥斯场缓助磁矩翻转和纳米环幸免了漩涡核的出现，磁矩翻转所需的时期，两者无昭着诀别，约莫为1000 ps。

致谢

感谢国度当然科学基金资助面目(面目编号：50902110)。

著作援用

李应琛，王永鑫，闫 泽，刘 磊，丁福康. 坡莫合金纳米环微磁学特质推敲Micromagnetic Properties of Permalloy Nanorings[J]. 凝合态物理学进展， 2020， 09(04): 59-64. https://doi.org/10.12677/CMP.2020.94007

参考文件外国色情片