磁性材料产业发展研究论文提纲

论文题目：自旋纳米振荡器微波发射特性研究

摘要：电子的电荷属性以及自旋属性,是人类信息技术产业发展革新之根本。电荷属性运用到人类生产生活中,诞生了传统电子学,使信息产业和相关工业领域都得到了突飞猛进的发展。自旋电子学则是一门利用了电子自旋属性的新兴综合性学科,成为了推动信息产业发展的中流砥柱。1988年,GMR效应被人们发现,磁存储技术迎来了光明前景,美国IBM公司成功研制了基于GMR效应的磁头。随后,基于隧穿磁电阻效应的磁存储技术则能大大改善原有的信息存储方式,提高信息存储速度、密度,同时降低器件功耗,于2001年由TDK公司成功研制出了基于TMR效应的硬盘。为了实现更高存储密度,需要矫顽力更加优异的磁性材料,但这些磁性材料的应用却会明显影响磁矩的翻转。考虑到这些影响,微波辅助磁记录技术走进人们的研究范畴,它利用了自旋转移力矩（STT）效应,在微波场和外加磁场的共同作用下,能够在有效降低矫顽力的同时提高存储能力。自旋纳米振荡器是微波辅助磁记录的关键技术,相比于目前的半导体存储技术,自旋纳米振荡器的结构更加简单,体积更小,频率范围宽（在0.1～100 GHz之间）等的优势更为突出。自旋纳米振荡器是在自旋极化电流的作用下,使自由层的磁矩能够绕着有效场发生稳定进动,从而有高频微波信号输出的一种新型自旋电子器件。其中,基于MgO磁性隧道结的自旋纳米振荡器发展前景最佳且已经具备了成熟的制备体系。本论文的工作,将以MgO基磁性隧道结为自旋纳米振荡器的隧道结结构,围绕自旋纳米振荡器的微波发射特性研究展开。自旋纳米振荡器微波特性研究对于CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道结的质量有着极高要求,生长制备方法是在真空度优于5×10-6 Pa的环境中用磁控溅射沉积的方法溅射生长磁性多层膜,再利用光刻和刻蚀的技术对其进行微纳加工。我们对四种STNO结构类型——共面型面内磁化结构,共面型倾斜磁化结构,正交型面内磁化结构,正交型倾斜磁化结构,进行了微波发射特性测量。利用磁性隧道结自由层的形状各向异性,在倾斜磁化结构中测得了零磁场下的微波发射特性。其中,又以正交型面内磁化结构的测量结果最为突出,成功得到了优异的室温零磁场下微波功率密度的输出,且具有良好的振荡频率;同时还对多个磁性隧道结串联的STNO器件也进行了微波特性测量和无线传输微波特性测量,均得到了零场下的微波发射特性。

关键词：自旋电子学;隧穿磁电阻;自旋转移力矩;磁性隧道结;自旋纳米振荡器

学科专业：物理学

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 自旋电子学简述

1.2 磁电阻效应

1.2.1 巨磁电阻效应(GMR)

1.2.2 隧穿磁电阻效应(TMR)

1.3 自旋纳米振荡器

1.3.1 自旋转移力矩(STT)效应

1.3.2 自旋纳米振荡器(STNO)简介

1.4 本论文的研究目的及研究内容

第2章 样品生长制备、测量方法

2.1 样品生长方法

2.1.1 引言

2.1.2 磁控溅射沉积法

2.2 样品制备方法

2.2.1 紫外光刻

2.2.2 电子束曝光(EBL)

2.2.3 刻蚀

2.3 样品表征和测量分析

2.3.1 X射线衍射仪

2.3.2 台阶仪

2.3.3 铁磁共振测量系统(FMR)

2.3.4 CIPT

2.3.5 超导量子干涉仪(SQUID)

2.3.6 探针台系统

第3章 CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道结微纳加工

3.1 引言

3.2 STNO结构设计

3.3 MgO磁性隧道结结构简介

3.4 MgO磁性隧道结微纳加工简介

3.4.1 四步曝光法加工

3.4.2 三步曝光法加工

第4章 STNO微波发射特性测量研究

4.1 STNO微波发射特性测量原理

4.2 四种STNO设计构型微波特性分析

4.2.1 共线型面内磁化STNO结构的结果分析

4.2.2 共线型倾斜磁化STNO结构的结果分析

4.2.3 正交型倾斜磁化STNO结构的结果分析

4.2.4 正交型面内磁化STNO结构的结果分析

4.2.5 小结

4.3 正交型面内磁化STNO结构的尺寸对比分析

4.3.1 不同尺寸比例关系时的微波特性分析

4.3.2 尺寸比例为2:1时的微波特性分析

4.3.3 结果讨论

4.4 串联型正交面内磁化STNO结构分析

4.5 无线传输测量结果分析

4.6 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 本论文的主要工作与取得的成果

5.2 本论文的不足之处与工作展望

参考文献

致谢