Підвищення потужності генератора на нелінійній магнітній наноструктурі
Анотація
Актуальність. Одним з найбільш перспективних напрямів розвитку сучасної електроніки вважається створення приладів спінтроніки, які повинні прийти на заміну традиційним напівпровідниковим елементам. Використання спіну електрона як носія інформації в магнітних наноструктурах може докорінно змінити сучасне життя.
Мета роботи. Метою даної роботи є пошук способів підвищення потужності генератора на магнітній наноструктурі шляхом зміни його електричної схеми та більш оптимальних зовнішніх електромагнітних параметрів, що впливають на стан електронів у досліджуваній шаруватій структурі.
Матеріали та методи. Вирішення поставленої задачі проводиться шляхом числового моделювання магнітної наноструктури за допомогою спеціально створеного мікромагнітного симулятора, в якому реалізований алгоритм одночасного розв’язання системи рівнянь Максвелла та Ландау-Ліфшиця-Гільберта. Розв’язання такої складної задачі прискорюється використанням квазістатичного наближення при розв’язанні системи рівнянь Максвелла, що є обгрунтованим через малі розміри розрахункової області у порівнянні із глибиною скін-шару. Подальші розрахунки електродинамічної системи проводяться за допомогою метода скінченних елементів. Для отримання кращих частотних та енергетичних параметрів генератора пропонується введення резонансної ланки до принципової схеми досліджуваного генератора, який збуджується короткими наносекундними імпульсами.
Результати. Запропонована схема генератора на магнітній наноструктурі, що містить резонатор із зосередженими параметрами, та отримана в загальному вигляді система нелінійних інтегро-диференціальних рівнянь відносно електричних струмів. Числовий розрахунок цієї системи, що включає окрім розрахунку схеми ще й моделювання нелінійної електродинамічної структури методом скінченних елементів. Отримані енергетичні і спектральні характеристики досліджуваного генератора. Проведений пошук оптимальних значень геометричних параметрів наноструктури та величини зовнішнього поздовжнього підмагнічування.
Висновки. Внаслідок складної природи нелінійних процесів у магнітній наноструктурі використання зовнішнього резонатора, який би міг покращити спектральні параметри згенерованого струму, не дало помітного покращення. Вплив величини зовнішнього намагнічення на вихідну потужність генератора є складним і нелінійним, але, в цілому, зменшення рівня намагнічування призводить до помітного зменшення потужності. Встановлено, що для покращення енергетичних характеристик генератора оптимальною є товщина магнітного шару у 6 нм.
Завантаження
Посилання
https://doi.org/10.1109/TED.2020.2965403
2. Fischbacher T, Franchin M, Bordignon G, Fangohr H. A systematic approach to multiphysics extensions of finite-element-based micromagnetic simulations: Nmag. IEEE Trans. Magn. June 2007;43(6):2896–2898. http://dx.doi.org/10.1109/TMAG.2007.893843
3. Recio G, Estebanez C. Micromagnetic modeling on magnetization dynamics with lossy magnetic material in thin film heads by FDTD calculations. Appl. Comput. Electrom. Sept. 2012;27(9):717–725.
4. Lopez-Diaz L, Aurelio D, Torres L, Martinez E, Hernandez-Lopez M.A, Gomez J, Alejos O, Carpentieri M, Finocchio G, Consolo G. Micromagnetic simulations using Graphics Processing Units. J. Phys. D: Appl. Phys. July 2012;45(32):323001. https://doi.org/10.1088/0022-3727/45/32/323001
5. Vansteenkiste A, Wiele BV. MuMax: a new high performance micromagnetic simulation tool. J. Magn. Magn. Mater. Nov. 2011;323(21):2585–2591. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2011.05.037
6. Chang R, Li S, Lubarda MV, Livshitz B, Lomakin V. FastMag: Fast micromagnetic simulator for complex magnetic structures (invited). Journal of Applied Physics. 2011:;109:07D358. https://doi.org/10.1063/1.3563081
7. Couture S, Chang R, Volvach I, Goncharov A, Lomakin V. Coupled finite-element micromagnetic-integral equation electromagnetic simulator for modeling magnetization-eddy currents dynamics. IEEE Transactions on Magnetics. December 2017;53(12). https://doi.org/10.1109/TMAG.2017.2745470
8. Volvach I, Kuteifan M, Lubarda MV, Lomakin V. Circuit-Integrated Micromagnetic Modeling of MRAM Devices. 62-nd Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials. Pittsburgh, Pennsylvania. Nov 6-10, 2017. p. 658.
9. Kuteifan M, Volvach I, Lomakin V. Forward Flux Sampling Method with Spin Transfer Torque for the Calculation of Thermal Relaxation Times of Free Layers. 62-nd Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials. Pittsburgh, Pennsylvania. Nov 6-10, 2017. p. 659.
10. Volvach I, Kuteifan M, Marko V, Lubarda MV, Lomakin V. Circuit-Integrated Micromagnetic Modeling of MRAM Devices. Special joint poster session on MRAM. IEEE 63-rd International Electron Devices Meeting IEDM. San Francisco, California. Dec 4–7, 2016.
11. Volvach I, Kuteifan M, Lubarda MV, Lomakin V. Integrating FastMag with NGSPICE Framework. Research Review & Advisory Council Meeting (CMRR). San Diego, California. May 18-19, 2017. p. 19.
12. Volvach IS, Dumin OM, Plakhtii VA, Pryshchenko ОА. Oscillation generator on a nonlinear magnetic nanostructure. Visnyk of V.N. Karazin Kharkiv National University, series “Radio Physics and Electronics”. 2018;28:34–43. (In Ukrainian)