“CoFeB-MgO”基磁隧道结的自旋轨道矩效应超快翻转动态研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    61904009
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    23.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    F0408.新型信息器件
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2019
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2020-01-01 至2022-12-31

项目摘要

The Spin Orbit Torque (SOT) Magnetic Random Access Memory (MRAM) based on Perpendicular Magnetic Anisotropy (PMA) presents non-volatile and ultra-high-speed data storage, which has a wide potential application in the Last Level Cache (LLC) and becomes a research focus in “Beyond Moore” integrated circuit (IC). However, the physical fundamentals of the SOT magnetization reversal in PMA Magnetic Tunnel Junctions (MTJs) are unclear. Especially, there are still lack of research woks on dynamic properties of sub-ns ultrafast magnetization reversal. Therefore, first of all in this project, we will deeply analyze the mechanism of dynamic ultrafast magnetization reversal (down to ps-level) within the in-plane magnetic fields in “CoFeB-MgO” based SOT-MTJs. Then, by introducing the coupling effect of the SOT and the Spin Transfer Torque (STT), we will design the MTJ devices and measurement methods which satisfy both the SOT and STT effects at the same time. The dynamic magnetization reversal under the coupling effects will be studied and the field-free ultrafast switching will also be revealed as well. Finally, by analyzing the effects of different SOT metals or inset layers on perpendicular anisotropy, spin injection efficiency and damping coefficient of free layers, we will deeply understand the initial law and nature of the dynamic ultrafast magnetization switching and coupling effects in the SOT or SOT+STT-MTJs. We believe that this project would provide theoretical and experimental basis for further research and development of new high-speed storage spintronic devices in IC design and information industry.
基于垂直磁各向异性(PMA)的自旋轨道矩(SOT)磁随机存储器具有非易失、超高速的数据存储特点,在末级缓存中具有广泛的应用前景,目前逐步成为“后摩尔时代”集成电路的一个研究热点。然而PMA磁隧道结(MTJs)中SOT引起磁矩翻转的物理机理仍不够清楚,尤其是sub-ns级超快磁矩翻转的动态研究非常匮乏。因此,本项目基于“CoFeB-MgO”基MTJs,首先拟在SOT-MTJs中,研究面内磁场辅助下的ps级超快翻转动态过程和机制;然后引入SOT与自旋转移矩(STT)的协同效应,设计同时满足两种效应的MTJ器件和测试方法,研究协同作用下的磁矩翻转动态过程,实现无磁场的超高速磁矩翻转。最后,研究不同SOT金属层或内插层对垂直各向异性、自旋注入效率以及自由层的阻尼系数的影响,深入探索SOT以及SOT+STT协同效应磁矩动态翻转规律和耦合机制,为进一步新型高速存储自旋电子器件的研发提供理论和实验依据。

结项摘要

基于垂直磁各向异性(PMA)的自旋轨道矩(SOT)磁随机存储器(MRAM)具有低功耗、超高速的数据存储特点,在新型非易失存储器中具有广泛的应用前景。然而PMA磁隧道结(MTJs)中SOT引起磁矩超快翻转的物理机理和动态过程仍不够清楚。因此,本课题针对“CoFeB-MgO”基SOT-MTJs开展超快翻转研究,通过自主搭建的双通道超快电学测试系统,对制备的纳米结高频器件开展时域分析,揭示磁矩翻转的动态过程,不仅加强了对SOT以及SOT+STT协同效应磁矩动态翻转机制的认识,也为进一步新型高速存储自旋电子器件的研发提供理论和实验依据。.在该项目资助下,我们在Fundamental Research, Proceedings of the IEEE, IEEE Electron Device Lett., Sci. China-Phys. Mech. Astron.等杂志发表文章6 篇,其中SCI 收录5 篇;申请国家发明专利1项。主要研究成果包括:首先在SOT-MTJs中,研究了面内磁场辅助下的超快翻转动态过程,揭示了类场矩效应影响SOT翻转的物理图像,阐明了SOT翻转弛豫时间的产生机制;然后引入SOT与自旋转移矩(STT)的协同效应,研究协同作用下的磁矩翻转动态过程,实现800 ps无磁场的超高速磁矩翻转,探究了时序调控对SOT+STT协同效应磁矩动态翻转的影响规律,为实现低功耗超快写入奠定了基础。最后,设计制备了NAND-SPIN型SOT+STT写入的磁存储器结构,实现一次擦出和选择写入功能,为实现高密度SOT-MRAM提供解决方案之一;此外,还揭示了自旋矩翻转过程中出现的瞬态中间态行为和稳定的磁滴孤子行为,为进一步研究磁矩动力学行为提供研究基础。

项目成果

期刊论文数量(6)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(1)
Antiferromagnetic spintronics: An overview and outlook
反铁磁自旋电子学:概述与展望
  • DOI:
    10.1016/j.fmre.2022.03.016
  • 发表时间:
    2022-04
  • 期刊:
    Fundamental Research
  • 影响因子:
    6.2
  • 作者:
    Danrong Xiong;Yuhao Jiang;Kewen Shi;Ao Du;Yuxuan Yao;Zongxia Guo;Daoqian Zhu;Kaihua Cao;Shouzhong Peng;Wenlong Cai;Dapeng Zhu;Weisheng Zhao
  • 通讯作者:
    Weisheng Zhao
Mechanism of field-like torque in spin-orbit torque switching of perpendicular magnetic tunnel junction
垂直磁隧道结自旋轨道扭矩切换中的类场扭矩机制
  • DOI:
    10.1007/s11433-022-1975-4
  • 发表时间:
    2022-09
  • 期刊:
    SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Yudong Zhuo;Wenlong Cai;Daoqian Zhu;Hongchao Zhang;Ao Du;Kaihua Cao;Jialiang Yin;Yan Huang;Kewen Shi;Weisheng Zhao
  • 通讯作者:
    Weisheng Zhao
Sub-ns Field-Free Switching in Perpendicular Magnetic Tunnel Junctions by the Interplay of Spin Transfer and Orbit Torques
通过自旋转移和轨道扭矩相互作用实现垂直磁隧道结的亚纳秒无场切换
  • DOI:
    10.1109/led.2021.3069391
  • 发表时间:
    2021-05-01
  • 期刊:
    IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS
  • 影响因子:
    4.9
  • 作者:
    Cai, Wenlong;Shi, Kewen;Zhao, Weisheng
  • 通讯作者:
    Zhao, Weisheng
Spintronics for Energy- Efficient Computing: An Overview and Outlook
用于节能计算的自旋电子学:概述和展望
  • DOI:
    10.1109/jproc.2021.3084997
  • 发表时间:
    2021-08-01
  • 期刊:
    PROCEEDINGS OF THE IEEE
  • 影响因子:
    20.6
  • 作者:
    Guo, Zongxia;Yin, Jialiang;Zhao, Weisheng
  • 通讯作者:
    Zhao, Weisheng
Observation of magnetic droplets in magnetic tunnel junctions
磁隧道结中磁滴的观察
  • DOI:
    10.1007/s11433-021-1794-4
  • 发表时间:
    2020-12
  • 期刊:
    SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Kewen Shi;Wenlong Cai;Sheng Jiang;Daoqian Zhu;Kaihua Cao;Zongxia Guo;Jiaqi Wei;Ao Du;Zhi Li;Yan Huang;Jialiang Yin;Johan Åkerman;Weisheng Zhao
  • 通讯作者:
    Weisheng Zhao

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其他文献

反钙钛矿化合物Mn_3Co_(1-x)N的磁相变及其反常热膨胀性能研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    中国科技论文
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    史可文;孙莹;邓司浩;胡鹏伟;王蕾;卢会清;MUHAMMAD Imran Malik;赵文君;王聪
  • 通讯作者:
    王聪
Sn掺杂对Mn3Zn1-xSnxN化合物负热膨胀行为和电输运性能的影响
  • DOI:
    10.7502/j.issn.1674-3962.2015.07.07
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    中国材料进展
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    史可文;孙莹;邓司浩;王蕾;胡鹏伟;王聪
  • 通讯作者:
    王聪
Co掺杂对Mn_3Sn_(1-x)Co_xC_(1.1)化合物的磁性质、熵变以及磁卡效应的影响
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
    Acta Physica Sinica
  • 影响因子:
    1
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  • 通讯作者:
    卢会清
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  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    硅酸盐学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    马之杰;孙莹;袁秀良;史可文;王聪
  • 通讯作者:
    王聪

其他文献

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史可文的其他基金

基于反铁磁隧道结的自旋轨道矩超快翻转机制研究
  • 批准号:
    62271026
  • 批准年份:
    2022
  • 资助金额:
    55 万元
  • 项目类别:
    面上项目

相似国自然基金

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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