A great deal of research on spin transfer torque has been carried out for a decade, since it was initiated by the predictions of Slonczewski and Berger in 1996. It provides a novel means to manipulate the magnetization by electric current itself, not by the magnetic field it induces. As well as its rich physics we have to explore, spin transfer torque has high potential for important applications such as write scheme in Magnetic Random Access Memory (MRAM), spin torque nano-oscillator, and memory device using domain wall motion. One important issue in the research field of spin transfer torque is to lower the critical current density for the excitation of magnetization. The critical current density is too high for practical use, so that the reduction of the current is needed. In this dissertation, we study variations of critical current density for magnetization switching in high density MRAM cell arrays with longitudinal magnetization. Also, the critical current density for domain wall motion in nanowire with perpendicular anisotropy as a function of nanowire geometry is studied, and perpendicular magnetic tunnel junction (MTJ) with soft polarization-enhancement layers as function of saturation magnetization and interlayer exchange coupling strength.
In the first part, we investigate the change of the switching current density in the conventional rectangular MRAM cell array. When the cell spacing is within substantial magnetostatic interaction, the magnetostatic interaction has two different kinds of effect on the switching current density. First, the overall stray field from the neighboring cells increases or decreases the switching current density, according to the relative direction of the switching to the stray field. It follows the theoretical description using single domain model. The other one is the increase of the switching current density due to the resonant precession of the magnetic cells, regardless of the switching direction. It becomes problematic in current-induced magnetiza-tion switching (CIMS), while not in conventional field-induced magnetization switching (FIMS), because CIMS accompanies much oscillation of magnetization before switching, while FIMS does after switching. The increase of the switching current density due to resonant precession can be suppressed by adopting an alternative array to disturb the interaction between dipoles in magnetic cells.
In the second part, we explore possibility of reduction of the critical current density for the domain wall motion in a thin-film magnetic nanowire with perpendicular anisotropy. Tatara showed that it is essentially described by the behavior of the effective domain wall anisotropy, which is decided by the cross-sectional geometry of nanowire and the domain wall width. The intrinsic critical current density is proportional to the effective domain wall anisotropy. S. W. Jung showed in his dissertation that an analytic derivation reveals an optimum geometry where the effective domain wall anisotropy drastically falls into zero, and some margin of geometry where the critical current density is below the limit for the practical use. We performed micromagnetic modeling and showed good agreements with the analytic result. The reduction of the intrinsic critical current density results in low upper bound of the critical current density for a wide range of external pinning force. We also ensure using micromagnetic modeling, that the depinning current densities from a notch and from various types of defects are also small under the condition of low intrinsic critical current density.
In the third part, we study the CIMS of perpendicular MTJ with soft magnetic polarization-enhancement layers. The soft magnetic layer inserted between MgO layer and the perpendicular magnetic layers to enhance spin polarization makes the perpendicular layer to be excited at an applied current density lower than the case without soft magnetic layer inserted. The excitation and the subsequent reversal of the pinned layer at higher current density and longer pulse duration time result in the flip-flop of the magnetizations. To prevent the unwanted flip-flop, far stronger stability should be introduced to the pinned layer, for example, a few times larger anisotropy. We investigate the variation of the switching time for various magnetic properties such as the saturation magnetization and the anisotropy of the polarization-enhancement layer, and the interlayer exchange coupling between the polarization-enhancement layer and the perpendicular layer. Larger saturation magnetization and weaker interlayer exchange coupling assist the switching of the free layer, and the anisotropy of the polarization-enhancement layer does not significantly affect the switching, for the range we explored.
스핀전달토크는 자성체에 전류가 흐를 때, 전도전자와 자화 사이의 교환상호작용에 의해서 자화의 방향이 바뀌는 현상으로, Slonczewski와 Berger가 1996년 이론적으로 예측한 이후 지금까지 많은 이론적, 실험적 연구가 이루어지고 있다. 특히, 스핀전달토크를 이용하면 전류에 의해서 발생하는 자기장이 아닌 전류 자체로 자화를 제어할 수 있기 때문에, 이를 각종 자성 소자에 응용하기 위한 연구가 많이 이루어 지고 있다. 스핀전달토크를 실제 응용하기 위해서는 스핀전달토크로 자화를 여기시키기 위해서 필요한 임계전류밀도를 낮추는 것이 중요하다. 본 연구에서는 다양한 자성체 시스템에서 스핀전달토크의 임계전류밀도의 거동을 micromagnetic simulation을 이용하여 알아보았다.
첫 번째 부분에서는 고밀도 수평 Magnetic Random Access Memory cell array에서 자화의 스위칭에 필요한 전류밀도의 변화에 관한 연구를 수행하였다. 고밀도 기록을 위해서 magnetic cell 사이의 거리가 가까워 질 수록 magnetic cell에서 발생하는 정자기장이 자화의 스위칭에 미치는 영향이 두드러진다. 본 연구는 정자기장의 영향이 충분히 두드러질 정도로 magnetic cell 사이의 거리가 가까울 경우에 대하여 이루어졌다. 정자기장이 자화에 미치는 영향은 두 가지가 있다. 한 가지는 단자구모델에서 얻어지는 이론적인 기술에서 외부자기장이 스위칭 전류밀도에 미치는 영향에 따라, 자기장의 방향이 스위칭 방향과 같을 때 스위칭 전류밀도가 감소하고, 반대일 때 스위칭 전류밀도가 증가하는 것이다. 다른 한 가지는 magnetic cell 사이의 정자기적 상호작용 때문에 서로 다른 magnetic cell의 자화 사이의 공명 세차운동이 발생하여, 자화의 스위칭이 방해를 받아 스위칭 전류밀도가 스위칭 방향과 자기장의 방향에 관계없이 증가하는 것이다. 공명 세차운동에 의한 스위칭 전류밀도 증가 효과는 magnetic cell 사이의 정자기적 상호작용을 방해하는 magnetic cell array를 사용함으로써 감소시킬 수 있다.
두 번째 부분에서는 수직 이방성을 가진 박막 자성 nanowire에서 자구벽의 이동에 필요한 임계전류밀도를 감소시킬 수 있는 방안에 관하여 연구를 수행하였다. Tatara는 자구벽을 이동시키는 데 필요한 intrinsic 임계전류밀도가 nanowire의 단면 형태에 따라 변하는 effective domain wall anisotropy에 의해서 결정됨을 이론적으로 보였다. 그리고 정순욱은 수직 이방성을 가진 박막 자성 nanowire에서 intrinsic 임계전류밀도가 매우 작은 값을 갖는 nanowire의 폭과 두께의 최적값 조합이 존재함을 이론적으로 보였다. 본 연구에서는 micromagnetic simulation을 이용하여 intrinsic 임계전류밀도가 이론적 예측과 비슷한 거동을 보임을 증명하였다. 이와 같은 intrinsic 임계전류밀도의 감소는 외부의 pinning force가 존재할 때 자구벽을 depinning 시키기 위한 임계전류밀도가 넓은 pinning force의 크기 영역에 걸쳐서 작은 값을 가질 수 있도록 한다. 또한 nanowire의 수직 이방성이 일정하지 않거나, 거친 가장자리와 같은 다양한 형태의 pinning 요인이 존재할 때에도 임계전류밀도가 실제 응용에 필요한 수준의 값을 가질 수 있다.
마지막으로 세 번째 부분에서는 수직 Magnetic Tunnel Junction에 연자성 polarization enhancement layer가 삽입되었을 때, 전류에 의한 자화의 스위칭에 관하여 연구를 수행하였다. 수직 자성층과 MgO 층 사이에 polarization enhancement layer가 삽입되면 수직 자성층은 polarization enhancement layer가 없는 경우 보다 작은 전류밀도에 의해 여기된다. 고정층이 여기되어 자화가 반전되고 결과적으로 전류가 가해지는 동안 자유층과 고정층의 자화가 flip-flop을 하게 된다. 따라서 고정층의 자화가 쉽게 반전되지 않도록 큰 수직 이방성을 도입하는 것과 같은 방법으로 안정시키는 것이 필요하다. 자유층의 스위칭에 필요한 시간은 polarization enhancement layer의 포화자화가 크고, 층간 exchange coupling이 약할 수록 짧아졌다. polarization enhancement layer에 발생할 수 있는 수직 이방성이 만드는 스위칭 시간의 증가 효과는 본 연구에서 고려한 범위에서는 영향이 작을 것으로 예측되었다.
