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Simulation of spin-torque driven magnetization dynamics in the diffusive and coherent transport regime

Peter Flauger

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Physik

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (DissG: Physik)

Betreuer*in

Dieter Süss

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DOI

10.25365/thesis.73520

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-28196.12274.546135-3

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Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Im Kontext mikromagnetischer Betrachtungen ist es ein gängiger Ansatz, das Spin-Drift-Diffusionsmodell mit der Landau-Lifshitz-Gilbert-Gleichung zu koppeln, um das Zusammenspiel von Magnetisierungsdynamik und Spintransport im diffusiven Regime zu beschreiben. In diesem Regime, das auf eine Bandbreite spintronischer Bauelemente in der Größenordnung einiger Mikrometer anwendbar ist, kann das Spin-Diffusionsproblem auf demselben Finite-Differenzen- oder Finite-Elemente-Mesh wie die Magnetisierungsdynamik numerisch gelöst werden. Dabei liegt die Diskretisierungslänge in der Regel nahe der Austauschlänge. Das Spin-Drift-Diffusionsmodell kann jedoch nicht zur Beschreibung magnetischer Tunnelkontakte verwendet werden, denn es ist davon auszugehen, dass der Spin-Transport durch diese kohärent ist. Die Transporteigenschaften werden in diesem Fall aus Lösungen der Schrödinger-Gleichung abgeleitet, was eine Diskretisierung des Transportproblems erforderlich macht, die mindestens eine Größenordnung feiner ist, als es für mikromagnetische Simulationen notwendig wäre. Darüber hinaus erfordert der für die Ermittlung kohärenter Transporteigenschaften bewährte non-equilibrium Green’s function-Formalismus rechenintensive Matrizeninversionen. In dieser Arbeit werden beide Transport-Regime hinsichtlich ihrer Anwendung und der Art und Weise, wie sie mit der Landau-Lifshitz-Gilbert-Gleichung gekoppelt sind, diskutiert und verglichen. Für den diffusiven Grenzfall wird insbesondere die Modifikation der effektiven Dämpfung der Magnetisierungsbewegung durch Spin-Orbit-Torque diskutiert und mit experimentellen Untersuchungen an out-of-plane Pt/Co/Ta-Strukturen unter dem Einfluss eines externen Magnetfelds verglichen. Für den Fall von kohärentem Transport wird eine performante Lösungsstrategie vorgestellt, die unter Ausnutzung der konstanten Koeffizienten des transportierten Drehmoments eine wiederholte Matrixinversion vermeiden kann. Die in diesem Rahmen vorgestellten Simulationen der Magnetisierungsdynamik beinhaltet auch eine Untersuchung zweier möglicher Ursachen des sogenannten back-hopping-Effekts in STT-MRAM-Zellen: die quadratische Abhängigkeit des Slonczewski-Drehmomentterms in magnetischen Tunnelkontakten von der Spannung, die zu einer zusätzlichen Hystereseschleife führen kann, und die Destabilisierung des Referenzsystems, die zu einem dynamischen Hin- und Herschalten der Magnetisierung führt.

Abstract

(Englisch)

In the context of micromagnetism, it is a common approach to couple the spin-drift diffusion model with the Landau-Lifshitz-Gilbert equation to describe the interplay of magnetization dynamics and spin transport in the diffusive regime. In this limit, that applies to a wide range of spintronic devices on the micron scale, numerical solutions to the spin-diffusion problem can be found on the same finite-differences or finite elements mesh as for the magnetization dynamics, with the discretization length being usually close to the exchange length. However, the spin-drift-diffusion model is not applicable to magnetic tunnel junctions. In them, spin-transport is assumed to be coherent and to be governed by the Schrödinger equation. This requires a discretization at least one order of magnitude smaller than it is required for micromagnetic simulations. Additionally, the matrix inversion that occurs in the non-equilibrium Green’s function formalism, a well-known tool to obtain coherent spin-transport properties, is computationally expensive. In this thesis, both spin-transport limits are discussed and compared with respect to their application and the way they couple to the Landau-Lifshitz-Gilbert equation. In the diffusive limit, the modification of the magnetization’s effective damping coefficient by spin-orbit torque is discussed and compared to experimental results obtained for a Pt/Co/Ta structure with out-of-plane anisotropy and an applied external field. For the coherent transport regime, the outline of a computationally efficient solution strategy is given that circumvents a repeated matrix inversion by taking advantage of the constant nature of the spin-torque coefficients. Coupled simulations of the magnetization dynamics present here also include an assessment of two potential origins of the back-hopping phenomenon in STT-MRAM cells: the quadratic voltage dependence of the dampinglike torque term in magnetic tunnel junctions that can result in an additional hysteresis loop, and the destabilization of the reference layer that leads to a dynamic back-and-forth switching of the magnetization.

Autor*innen

Peter Flauger

Haupttitel (Englisch)

Simulation of spin-torque driven magnetization dynamics in the diffusive and coherent transport regime

Paralleltitel (Deutsch)

Simulation von Spin-Torque-getriebener Magnetisierungsdynamik im diffusiven und kohärenten Transport-Regime

Publikationsjahr

2022

Umfangsangabe

80 Seiten : Illustrationen

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Aurelien Manchon ,

Victor Sverdlov

Klassifikation

33 Physik > 33.75 Magnetische Materialien

AC Nummer

AC16858674

Utheses ID

65534

Studienkennzahl

UA | 796 | 605 | 411 |

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