形狀各向異性

形狀各向異性是指物質的全部或部分化學、物理等性質隨著形狀的改變而有所變化，在不同的形狀上呈現出差異的性質，可以通過改變矩形的長寬之比來改變材料的形狀各向異性。

近年來，在磁記錄的研究領域中，由於磁性納米體系在未來的非易失性磁隨機存儲器（MRAM）上的重要應用，使得其微結構和磁化反轉過程受到研究者的關注。從讀取信息的角度而言，MRAM應該具有穩定的存儲狀態，從寫入信息的角度而言，該器件應該具有適當大小的矯頑力和穩定的磁化態，而這些特性與器件的形狀密切相關，因此，在設計器件的時候，形狀對其記錄性能的影響不可忽略。

由於形狀對MRAM磁化反轉過程具有重要的影響，因此，科學家們對矩形、圓、橢圓、圓環等等一系列形狀的磁記錄介質進行了研究，希望對其磁化反轉過程進行控制，但是研究結果發現不同形狀的MRAM都有一定的優點，但是也存在一些缺點。

用微磁學理論模擬了形狀對磁性納米體系矯頑力的影響。模擬結果顯示當厚度一定時，隨其長度和寬度的增加，體系矯頑力先迅速降低，然後逐漸趨於平緩。體系的形狀各向異性來源於退磁場，退磁場取決於退磁因子，通過計算體系的退磁因子，結果表明矯頑力降低的原因主要來源於形狀各向異性。同時，對不同尺寸納米體系的磁化反轉過程進行了研究，結果發現當體系X和Y方向尺寸比較小時，隨著反向磁場的增加，此體系先在四角成核，然後帶動邊緣的磁疇優先反轉，最後使整個體系達到完全反轉。當體系X和Y方向尺寸達到500nm的時候，也就是體系z軸方向接近於1的時候，模擬結果顯示其磁化反轉過程並非是由邊緣逐漸向中心過渡，而是在邊緣反轉的同時，中間的磁疇也開始成核共同參與磁化反轉過程。

隨著信息技術與電腦的飛速發展，對信息存儲密度及速度也在不斷提出新的要求。新一代超高密度存儲技術的發展方向為不連續磁存儲介質。由於在超高密度存儲器件及磁性隨機存儲器上的新發展，吸引了愈來愈多的科學家對圖型薄膜的興趣。從基礎研究的觀點來看，對於圖形薄膜的研究包括了兩個方面，其一是圖型薄膜的製備，二是物理特性的研究。製備磁存儲介質要求具有高各向異性以克服超順磁效應，高各向異性是指高的垂直各向異性或高的平面各向異性。採用微加工的手段製備不連續介質，即圖型薄膜，是首要方法。微加工手段是用光刻、電子束或離子束刻蝕得到比較規則、整齊的圖形。不連續介質的物理特性也是國際和國內研究的熱點。當維度不僅在厚度方向減小，而且還在橫向減小到微米及以下範圍時，將會表現出不同於大塊材料，也不同於連續薄膜的物理性能，如圖形薄膜各單元中形狀各向異性的出現以及退磁場和磁化強度的不均勻導致的磁化及激發，從而也會影響到器件性能，包括反磁化開關場的大小與速度。

用振動磁強計和鐵磁共振對圖形薄膜進行了測量，並對鐵磁共振的實驗結果進行了理論擬合分析，可以得到如下結論：

（1）矩形單元陣列薄膜膜面內存在著很明顯的形狀各向異性，其易磁化方向為單元的長邊方向，難磁化方向為短邊方向。由於正方形單元在刻蝕時，掩模版的邊緣效應，使得直角處被蝕刻掉，而近似成為不等邊八邊形。FMR實驗表明其共振場的角度依賴性質與以往的正方形單元不同。其正方邊為最易磁化方向，八邊形的四個短邊方向為次易磁化方向，成180度的對角連線為難磁化方向。

（2）面內形狀各向異性是均勻磁化的退磁場和非均勻磁化退磁場共同作用的結果，隨著單元尺寸的增大，不均勻磁化的貢獻逐漸減小。為了能滿意地對FMR實驗數據進行理論擬合，在自由能表達式中加入了八度對稱的各向異性能。

（3）在單元長度一定的情況下，面內形狀各向異性隨著單元矩形比的增大，即單元寬度的減小而增加，而面外各向異性則是隨著矩形比的增大而減小。

通過在宏自旋模型中同時考慮MTJ自由層的長度、寬度和厚度的方法，劉斌等系統研究了形狀各向異性對磁矩翻轉時間、閡值電流密度的影響。結果表明，在MTJ自由層厚度一定時，其長度越長磁矩翻轉時間越短，閡值電流密度也越小；相反在MTJ自由層長度一定時，其厚度越小磁矩翻轉時間則越短，閾值電流密度也越小。然而，為了提高存儲密度，在製作時不可以無休止地增大MTJ的長度，相反應該適當減小；同時考慮到STT-MRAM設備的實用性，也不可以大幅度降低MTJ的厚度，因為熱擾動的存在會導致磁矩變得不穩定。同時研究發現，在自由層磁矩傾角較小時，磁矩翻轉時間及閾值電流密度會大幅度縮減。另外，與以往在宏自旋模型中只考慮自由層厚度（或是假定截面積無窮大）的處理方法相比，該種處理方法可以更為便捷、形象、具體地反映自由層的尺寸對磁矩振蕩的影響，更為準確地展示了MTJ自由層尺寸對磁矩動態特性影響的基本規律。因此，採用這種處理方法來研究磁矩的動態特性，不但可以得到更加有意義的結果，而且能夠為磁存儲器件的製備和應用提供更為準確的理論依據。