Over the past few decades the remarkable development of spintronics has been witnessed by a number of researchers. Spintronics basically accompanies a phenomenon called \spin-orbit coupling," but attempts to gure out its physical description is still ongoing. An interfacial e ect between ferromagnet and non-magnet has been investigated, which has brought about substantial studies of the spin-transfer.
Spin-torque oscillator (STO) is an unusual type of spin device that converts the DC signals to RF signals. Due to its superior scalability and high frequency (GHz), the application of STOs has been sought recently, especially in telecommunication area. Several preliminary studies on STO and its integration on the circuits have been conducted actively since 2000s. As a material for the STO, magnetic tunnel junction (MTJ) or giant magneto-resistance (GMR) structure has been utilized.
Numerous existing investigations on the MTJ-based STOs have been employed Landau-Lifshitz-Gilbert-Slonczewski (LLGS) equation, which describes dynamics of magnetization on the MTJ, however, the transport mechanism inside the MTJ should be clari ed by considering quantum transport. Today one generally explains charge transport by introducing non-equilibrium Green's function (NEGF) approach to convey its quantum mechanical characteristics.
In this thesis, simulation works to model MTJ-based STO were presented introducing (NEGF) transport calculation. The formulating steps for the LLGS equation and the NEGF transport calculation were presented with providing several principles and our assumptions for tri-layer MTJ simulation.
By solving NEGF formalism and LLGS equation, the consecutive movement of magnetization could be described in every pico-second. The frequencies that we obtained from FFT analyses on the oscillating MTJs were compared with the previous paper. It is expected that this work would be signi cantly required in modeling advanced spin devices, in particular, the future nanoscaled telecommunication devices.
지난 수십 년은 많은 학자들에 의해 스핀트로닉스 분야의 눈부신 발전이 있었다. 스핀트로닉스는 기본적으로 "스핀-궤도 상호작용" 현상에 기반하지만 물리적 현상을 알아내고자 하는 연구가 아직도 진행 중이다. 예전부터 강자성체와 비강자성체의 계면에서 발생하는 효과에 대한 연구가 상당히 많이 진행되어 왔으며, 이는 스핀-전달 효과 (spin-tranfer effect)에 대한 상당한 연구로 이어졌다.
스핀 발진소자 (spin-torque oscillator, STO)는 DC 신호를 RF 신호로 변환하여 송출하는 새로운 형태의 스핀 소자이다. GHz 대역의 주파수를 생성하고, 상당한 집적도를 가질 수 있는 STO의 강점 때문에 최근에는 이를 통신에 사용하고자하는 시도가 진행되고 있다. 특히 2000년대부터 STO를 회로 상에서 분석, 또는 synchronization에 관한 연구가 상당히 많이 진행되었다. STO의 물질로써는 자기터널접합 (magnetic tunnel junction, MTJ) 및 거대자기저항 (giant magneto resistance) 구조가 사용된다.
기존의 MTJ 기반 STO의 연구는 MTJ 내부 강자성체의 운동을 기술하는 Landau-Lifshitz-Gilbert-Slonczewski (LLGS) 방정식을 이용하여 계산을 하였는데, 나노 사이즈의 소자 내에서 양자 전달 현상을 더 상세히 기술할 필요성이 있었다. 오늘날에는 작은 소자 내에서 양자효과를 기술하기 위하여 non-equilibrium Green's function (NEGF) 접근법을 사용하여 양자적 특성을 설명할 수 있다.
본 논문에서는 NEGF 방법을 사용하여 MTJ 기반 STO 내에서의 양자 전달 특성을 계산하였다. 또한 Tri-layer MTJ 구조 내에서의 NEGF 및 LLGS 방정식의 계산 과정 및 원리에 대한 설명이 기술되어 있다. NEGF와 LLGS 방정식을 계산함으로써 매 pico-초마다 자화벡터의 연속적인 운동을 설명할 수 있었다. STO의 진동수는 FFT 분석으로부터 얻어졌으며, 기존 LLGS로만 기술되어진 연구와 경향성 분석이 이루어졌다. 본 연구에 사용된 방법론은 이후 고급 스핀디바이스, 특히 나노사이즈의 통신 소자 분석에 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
