在不同磁场方向下，磁隧道结中传输模式（模式）的演变

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Evolution of modes in magnetic tunnel junctions under various field orientations

磁隧道结（MTJ）微波性能受外磁场方向调控，实验发现100nm直径MTJ自由层同时存在体模式和边缘模式。通过调节平面磁场方向，体模式频率偏移与整流效应提升达50°，边缘模式稳定性增强。微磁模拟验证模式特性，揭示磁场方向与几何形貌共同作用对MTJ动态磁化的影响机制。

　　磁隧道结（Magnetic Tunnel Junctions, MTJs）是下一代在微波频率范围内运行的自旋电子器件的重要候选材料。其独特的特性在于能够对GHz频段的信号进行整流，这一功能为自旋电子器件在高频通信和传感等领域的应用提供了可能性。为了进一步提升MTJs的微波性能，研究外部磁场方向对磁化动力学的影响变得至关重要。本文通过实验和微磁学研究，探讨了在平面磁场作用下，100纳米直径的MTJ中自由层模式的行为变化。

实验结果表明，自由层中存在两种模式：一种是体模式，另一种是边缘模式。通过改变平面磁场的方向，研究人员发现某些区域的整流效果能够提升50度，并且可以调控这些区域的宽度，同时展示了如何通过磁场方向的调整实现频率的偏移。此外，还采用了一种分析模型和微磁学模拟，对所观察到的模式的性质和行为进行了深入分析。

自旋电子学作为快速发展的纳米电子学领域，不仅利用电子的电荷特性，还利用其自旋特性，从而赋予了器件新的多功能性。该领域的研究重点之一是开发基于自旋转移扭矩效应（Spin-Transfer Torque, STT）的微波自旋电子器件。这些器件包括自旋转移二极管和自旋转移纳米振荡器（Spin-Torque Nano-Oscillators, STNOs），它们的基本结构依赖于磁隧道结。因此，理解并优化磁隧道结的微波特性对于推动自旋电子器件的发展具有重要意义。

磁隧道结的微波特性源于其磁性层中的磁化动力学，通常表现为多个模式的存在。自由层模式的局域化仍然是一个活跃的研究课题，因为它们可能出现在体中或边缘。特别是边缘模式，其行为受到磁隧道结几何结构的显著影响。以往的研究表明，磁性纳米结构，如纳米点和条带，其模式形成受到几何效应的显著影响。对于不同长宽比（Aspect Ratios, ARs）的磁隧道结，其模式演变显示出有趣的结果：当纳米柱的尺寸小于100纳米时，边缘模式通常不存在；然而，当长宽比增大时，自由层中会出现更高的不均匀性。这种不均匀性会降低磁隧道结的电气性能，强调了在不同条件下理解并控制磁化模式的重要性。

外部磁场方向对磁隧道结磁化动力学的影响也引起了广泛关注，特别是在改善微波性能方面。在先前的研究中，曾对椭圆形磁隧道结在不同外部磁场方向下的模式演变进行了分析。研究发现，当外部磁场沿磁隧道结的短轴方向时，体模式的振幅达到最大。尽管已经观察到了第二模式，但其详细行为仍然缺乏深入研究。现有研究表明，该第二模式的振幅，与体模式类似，也受到平面磁场方向的显著影响。这意味着磁场方向的变化会对磁化动力学产生重大影响，从而影响磁隧道结的性能。

本文首次对边缘模式进行了深入分析，探讨了磁场方向如何调控其振幅，并讨论了其对优化磁化过程和器件功能的潜在影响。我们重点研究了小直径圆形磁隧道结中模式演变的行为，以探讨平面磁场方向对自由层磁化动力学的影响。通过自旋转移铁磁共振（Spin-Torque Ferromagnetic Resonance, ST-FMR）实验技术，研究人员对磁隧道结中的模式行为进行了研究。除了实验确定模式的来源，我们还进行了微磁学模拟，使用了SpinPM软件包。微磁学模拟结果显示，在整流谱中存在多个强模式，其中一个是与体模式相关的，另一个则常见于基于MgO的磁隧道结中。根据不同的研究者，该模式的来源被归因于边缘模式、高阶自旋波模式或合成反铁磁层CoFe/Ru/CoFeB中的模式。在我们的研究中，我们证明了该额外模式与磁化在样品边缘附近的动力学有关，因此可以将其称为边缘模式。

通过对不同方向的外部磁场作用下模式行为的详细研究，实验结果显示，边缘模式对磁场方向的敏感性较低，而体模式则对磁场方向的变化具有较高的依赖性，并且其频率会显著偏移，从而导致模式交叉，并形成具有稳定整流效应的频段区域。整流效应的改变，进而影响模式的振幅，发生在磁场方向从0°到90°的变化过程中。在50°方向时，整流效应达到最大值，这是由于模式在该方向下的干涉作用。除了识别出具有增强整流效应的区域，这些结果还为通过平面磁场方向调控磁化动力学提供了实际指导。这种调控对于优化依赖于微波信号的自旋电子器件具有高度相关性，包括自旋转移纳米振荡器和高灵敏度微波探测器。

通过理解并操控几何诱导的不均匀性与外部磁场方向之间的相互作用，可以实现对频率响应和整体器件性能的精细调节，从而满足各种应用场景的需求。本研究结合了实验观察和微磁学模拟，对磁隧道结中两种主要模式——体模式和边缘模式——的行为进行了系统分析。结果表明，体模式主要来源于自由层中心区域的磁化进动，而边缘模式则与磁化在边缘附近的动力学有关。这两种模式在不同的磁场方向下表现出不同的特性，这为优化磁隧道结的微波性能提供了理论依据。

此外，本文还讨论了在自旋转移铁磁共振实验中，磁隧道结的两种模式如何相互作用。一种模式通常表现出较强的整流效应，而另一种则在较高频率下出现，但其整流效应较弱。较强的模式与自由层磁化均匀激发的形状和符号相一致，但第二模式的起源仍然是一个开放的问题。通过对这一模式的深入研究，可以进一步揭示其在不同磁场方向下的行为变化，从而为自旋电子器件的设计和优化提供新的思路。

本研究的成果不仅有助于理解磁隧道结的微波特性，也为实际应用提供了重要的指导。通过调整平面磁场的方向，可以有效地控制磁化模式的振幅和频率，从而优化磁隧道结的整流性能。这种调控能力对于开发高性能的自旋电子器件具有重要意义，尤其是在需要高频率响应和稳定整流效应的应用场景中。未来的研究可以进一步探索不同几何结构和材料组合对磁化模式的影响，从而推动自旋电子器件在更多领域的应用。