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Type: Dissertação
Title: Estudo de sistemas magnéticos nanoestruturados via simulação computacional, com aplicação em dispositivos de memórias magnetorresistivas
Author: Gomes, Josiel Carlos de Souza
First Advisor: Leonel, Sidiney de Andrade
Co-Advisor: Toscano, Danilo
Referee Member: Garrido, Juan de Dios
Referee Member: Araujo, Clodoaldo Irineu Levartoski de
Referee Member: Sato, Fernando
Referee Member: Coura, Pablo Zimmermann
Resumo: Sistemas magnéticos nanoestruturados possuem propriedades que são estendida a inúmeras aplicações tecnológicas, como mídia de gravação magnética de alta densidade, memória de ´ acesso aleatório magnetorresistiva, dispositivos de processamento de dados, etc. Existe uma ´ crescente demanda por meios de gravação cada vez mais rápidos e de alta capacidade de arma- ´ zenamento, o que tem impulsionado não apenas o estudo de fabricação de sistemas magn ˜ eticos ´ nano-estruturados, como também a evolução de técnicas experimentais para medir suas propriedades. Estas nanoestruturas podem ser fabricadas em diversos formatos, usando materiais magnéticos como cobalto ou liga de Permalloy. Dependendo do material, da forma e do ta- ´ manho da amostra, elas podem exibir diferentes regiões de domínio. Estas regiões de domínio definem os bits de informação em possíveis dispositivos de memória. Desse modo, conhecer o ´ comportamento dinâmico dessas regiões de domínio e imprescindível. Vários dispositivos de memória spintronicos usam nanopartículas magnéticas planares de ´ domínio único como c ´ células unit árias. Nesta tese apresentaremos tr ´ es propostas para dispositivos de memória. Na primeira parte deste trabalho realizamos simulações computacionais ˜ micromagneticas para investigar interações dipolo-dipolo interpartíıculas em matrizes de nanoelipses de domínio único feitas de Permalloy. Respeitando um determinado limite de tamanho ´ e razao de aspecto, o estado remanescente de uma nano-elipse feita de Permalloy pode ser de ˜ um domínio único e quase uniforme, devido ´ a anisotropia de forma. Existem dois sentidos ao ` longo do eixo maior da elipse em que a magnetização pode apontar (estados degenerados), que ˜ definem um bit de informação. A magnetização˜ e alternada aplicando um campo magnético ´ perpendicular ao eixo fácil de magnetização. Neste estudo envolvendo matriz de nano-elipses, ˜ a variação˜ e introduzida n ´ ao apenas na razão de aspecto e no espaçamento entre elipses, mas ˜ também na distribuição de magnetização para cada elipse e no tipo de rede 2D. Para peque- ˜ nos valores do espaçamento entre elipses, eles interagem fortemente, de modo que a anisotropia de forma e localmente modificada pela distribuição da magnetização. Avaliamos então o ˜ espaçamento mínimo entre as partículas nas quais as nano-elipses de domínio único se tornam ´ um sistema magnético n ´ ao interagente. Este tipo de amostra pode ser aplicado em dispositivos ˜ de memoria tipo “Toggle MRAM”, de modo entender e controlar a comutação da magnetização de nano-elipses magnéticas ´ e extremamente importante. ´ Na segunda etapa, consideramos uma parede de domínio transversal em um nanofio de Permalloy, fixada por defeitos geométricas denominados “anti-notches”. Devido ´ a anisotro- ` pia de forma, estes “anti-notches” possuem carater atrativo. Desse modo, investigar atrav ´ es de ´ simulação computacional a interação desta parede do dom ˜ ´ınio com o defeito geometrico e, por ´ ser um dispositivo finito, os efeitos de borda pelos quais essa parede sofre, e o primeiro passo ´ para este estudo. Configurações que possuem geometrias suficientemente pequenas, mas magneticamente estáveis, permitem que essa amostra seja usada em um dispositivo de tr ´ es terminais. ˆ As paredes de domínio transversais comportam-se como quasipartıculas que se movimentam rapidamente de um “anti-notch” para outro mediante a pulsos de corrente elétrica muito curtos ´ aplicados paralelamente ao eixo fácil do nanofio. A rápida estabilização da parede do domínio, com estados de magnetizac¸ao bem definidos, permite a medic¸ ˜ ao de alto sinal magnetoresistivo ˜ por uma juncão t ˜ unel magn ´ etica e indica o dispositivo proposto como uma promissora c ´ elula de ´ memoria de acesso aleat ´ orio magnetoresistivo. ´ Na terceira e ultima etapa consideramos a dinâmica de skyrmions em nanofitas compos- ˆ tas por multicamadas de Co/Pt. Assim como na etapa anterior, precisamos entender e controlar através de simulaçãoo micromagnetica esta quasipart ´ ´ıcula que se movimenta mediante a` aplicação de corrente elétrica aplicada paralelamente ao eixo maior da nanofita. Durante seu ´ movimento, e possível observar o efeito Hall de skyrmion, mapeando sua posição em cada ˜ passo computacional. Por se tratar de um assunto novo para o grupo, observar resultados obtidos que são bastante conhecidos na literatura e poder reproduzi-los utilizando nosso programa, ˜ demonstra confiabilidade de nosso codigo. Propusemos o uso de um trilho de impurezas, com- ´ binado com alteração do par ˜ ametro da interacão Dzyaloshinskii-Moriya, a fim de cancelar a ˜ deflexão do skyrmion enquanto se movimenta. Consideramos como impureza uma variação local das propriedades magneticas. Foi possível obter configurac¸oes nas quais podemos observar ˜ o cancelamento total do efeito Hall de skymion. Fizemos também um mapeamento da carga ´ topologica do skyrmion durante seu deslocamento para garantirmos que nossa quasipartcula continue mantendo suas propriedades topologicas. Acreditamos que os resultados aqui apre- ´ sentados possuem uma potencial aplicação tecnológica em futuros dispositivos de memória.
Abstract: Nanostructured magnetic systems have properties that are extended to several technological applications, such as high density magnetic recording media, magnetoresistive random access memory, data processing devices, etc. There is a growing demand for increasingly fast and high storage capacity recording media, which has driven not only the study of manufacturing nanostructured magnetic systems, but also the evolution of experimental techniques to measure their properties. These nanostructures can be manufactured in several formats, using magnetic materials such as cobalt or Permalloy alloy. Depending on the material, shape and size of the sample, they may exhibit different domain regions. These domain regions define the information bits in possible memory devices. Thus, knowing the dynamic behavior of these domain regions is essential. Several spintronic memory devices use single-domain planar magnetic nanoparticles as unit cells. In this thesis we will present three proposals for memory devices. In the first part of this work, we performed micromagnetic computational simulations to investigate interparticle dipole-dipole interactions in single-domain nanoelipses matrices made from Permalloy. Assuming a certain limit of size and aspect ratio, the nano-ellipse remanent state made of Permalloy can be a single and almost uniform domain, due to the shape anisotropy. There are two directions along the ellipse major axis on which the magnetization can point (degenerate states), which define an information bit. The magnetization is alternated by applying a magnetic field perpendicular to the easy magnetization axis. In this study involving a matrix of nano-ellipses, the variation is introduced not only in the aspect ratio and in the spacing between ellipses, but to the magnetization distribution and the 2D lattice type as well. For small values of the spacing between ellipses, they interact strongly, such that the shape anisotropy is locally modified by the magnetization distribution. So, we evaluated the minimum spacing between the particles in which the single domain nano-ellipses become a non-interacting magnetic system. This kind of sample can be applied to Toggle MRAM devices, such that understanding and controlling the magnetic nano-ellipses magnetization switching is extremely important. In the second stage, we consider a transverse domain wall in a Permalloy nanostrip, pinned by geometric defects called “ anti-notches”. Due to shape anisotropy, these anti-notches have an attractive character. Thus, investigating through computer simulation the interaction of this domain wall by the geometric defect and, due to be a finite device, the edge effects that this wall suffers from, this is the first step for study. Configurations that have sufficiently small geometries, but magnetically stable, allow this sample to be used in a three-terminal device. The transverse domain walls behave like quasiparticles that move fastly from one “ anti-notch” to another by very short pulses of electrical current applied parallel to the nanostrip easy axis. The rapid stabilization of the domain wall, with well-defined magnetization states, allows the measurement of a high magnetoresistive signal by a magnetic tunnel junction and indicates the proposed device as a promising magnetoristive random access memory cell. In the third and last stage, we consider the skyrmion dynamics in nanowires made of Co/Pt multi-layers. As in the previous step, we need to understand and control, through micromagnetic simulation, this quasiparticle that moves by the application of electric current applied parallel to the nanowire major axis. During its movement, it is possible to observe the skyrmion Hall effect, mapping its position in each computational step. As it is a new subject for the group, observing well known results obtained in the literature and being able to reproduce them using our program, demonstrates the reliability of our code. We propose the use of an impurity track, combined with changing the Dzyaloshinskii-Moriya interaction parameter, in order to cancel the skyrmion deflection while it moves. We consider impurity to be a local variation of magnetic properties. It was possible to obtain configurations in which we can observe the total cancellation of skymion Hall effect. We also mapped the skyrmion topological charge during its displacement to ensure this quasiparticle continues to maintain its topological properties. We believe these results presented here have a potential technological application in future memory devices.
Keywords: Sistemas magneticos nanoestruturados
Matriz de nano-elipses
MRAM de três terminais
Skyrmions
Equação de Landau-Lifshitz-Gilber
Simulação micromagnética
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)
Institution Initials: UFJF
Department: ICE – Instituto de Ciências Exatas
Program: Programa de Pós-graduação em Física
Access Type: Acesso Aberto
Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil
Creative Commons License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
URI: https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/14020
Issue Date: 19-Feb-2020
Appears in Collections:Doutorado em Física (Teses)



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