Published February 14, 2023
| Version v1
Publication
Open
Magnetization dynamics at finite temperature in CoFeB–MgO based MTJs
Creators
- 1. Mahasarakham University
- 2. University of York
Description
Abstract The discovery of magnetization switching via spin transfer torque (STT) in PMA-based MTJs has led to the development of next-generation magnetic memory technology with high operating speed, low power consumption and high scalability. In this work, we theoretically investigate the influence of finite size and temperature on the mechanism of magnetization switching in CoFeB–MgO based MTJ to get better understanding of STT-MRAM fundamentals and design. An atomistic model coupled with simultaneous solution of the spin accumulation is employed. The results reveal that the incoherent switching process in MTJ strongly depends on the system size and temperature. At 0 K, the coherent switching mode can only be observed in MTJs with the diameter less than 20 nm. However, at any finite temperature, incoherent magnetization switching is thermally excited. Furthermore, increasing temperature results in decreasing switching time of the magnetization. We conclude that temperature dependent properties and thermally driven reversal are important considerations for the design and development of advanced MRAM systems.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
أدى اكتشاف التبديل المغنطيسي عبر عزم دوران نقل الدوران (STT) في MTJs القائمة على PMA إلى تطوير تقنية الذاكرة المغناطيسية من الجيل التالي بسرعة تشغيل عالية واستهلاك منخفض للطاقة وقابلية عالية للتوسع. في هذا العمل، نقوم نظريًا بالتحقيق في تأثير الحجم ودرجة الحرارة المحدودين على آلية تبديل المغنطة في MTJ القائم على CoFeB - MgO للحصول على فهم أفضل لأساسيات وتصميم STT - MRAM. يتم استخدام نموذج ذري مقترن بمحلول متزامن لتراكم الدوران. تكشف النتائج أن عملية التبديل غير المتماسكة في MTJ تعتمد بشدة على حجم النظام ودرجة حرارته. عند 0 كلفن، لا يمكن ملاحظة وضع التبديل المتماسك إلا في MTJs بقطر أقل من 20 نانومتر. ومع ذلك، عند أي درجة حرارة محدودة، يكون التبديل الممغنط غير المتماسك متحمسًا حراريًا. علاوة على ذلك، تؤدي زيادة درجة الحرارة إلى تقليل وقت تبديل المغنطة. نستنتج أن الخصائص المعتمدة على درجة الحرارة والعكس المدفوع حراريًا هي اعتبارات مهمة لتصميم وتطوير أنظمة MRAM المتقدمة.Translated Description (French)
Résumé La découverte de la commutation de magnétisation via le couple de transfert de spin (STT) dans les MTJ à base de PMA a conduit au développement d'une technologie de mémoire magnétique de nouvelle génération avec une vitesse de fonctionnement élevée, une faible consommation d'énergie et une grande évolutivité. Dans ce travail, nous étudions théoriquement l'influence de la taille et de la température finies sur le mécanisme de commutation de l'aimantation dans le MTJ basé sur CoFeB-MgO pour mieux comprendre les fondamentaux et la conception de la STT-MRAM. Un modèle atomistique couplé à une solution simultanée de l'accumulation de spin est utilisé. Les résultats révèlent que le processus de commutation incohérent dans MTJ dépend fortement de la taille et de la température du système. À 0 K, le mode de commutation cohérent ne peut être observé que dans les MTJ dont le diamètre est inférieur à 20 nm. Cependant, à toute température finie, la commutation d'aimantation incohérente est excitée thermiquement. En outre, l'augmentation de la température entraîne une diminution du temps de commutation de l'aimantation. Nous concluons que les propriétés dépendantes de la température et l'inversion thermique sont des considérations importantes pour la conception et le développement de systèmes MRAM avancés.Translated Description (Spanish)
Resumen El descubrimiento de la conmutación de magnetización a través del par de transferencia de espín (STT) en MTJ basados en PMA ha llevado al desarrollo de la tecnología de memoria magnética de próxima generación con alta velocidad de funcionamiento, bajo consumo de energía y alta escalabilidad. En este trabajo, investigamos teóricamente la influencia del tamaño finito y la temperatura en el mecanismo de conmutación de magnetización en MTJ basado en CoFeB–MgO para obtener una mejor comprensión de los fundamentos y el diseño de STT-MRAM. Se emplea un modelo atomístico junto con una solución simultánea de la acumulación de espín. Los resultados revelan que el proceso de conmutación incoherente en MTJ depende en gran medida del tamaño y la temperatura del sistema. A 0 K, el modo de conmutación coherente solo se puede observar en MTJ con un diámetro inferior a 20 nm. Sin embargo, a cualquier temperatura finita, la conmutación de magnetización incoherente se excita térmicamente. Además, el aumento de la temperatura da como resultado una disminución del tiempo de conmutación de la magnetización. Concluimos que las propiedades dependientes de la temperatura y la inversión impulsada térmicamente son consideraciones importantes para el diseño y desarrollo de sistemas MRAM avanzados.Files
s41598-023-29597-7.pdf.pdf
Files
(3.1 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:a6ea2b26f221e8e8fa7fd5ee2fd7a3c4
|
3.1 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- ديناميكيات المغنطة عند درجة حرارة محدودة في MTJs القائمة على CoFeB - MgO
- Translated title (French)
- Dynamique de magnétisation à température finie dans les MTJ à base de CoFeB-MgO
- Translated title (Spanish)
- Dinámica de magnetización a temperatura finita en MTJ basados en CoFeB-MgO
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4320726564
- DOI
- 10.1038/s41598-023-29597-7
References
- https://openalex.org/W1929819249
- https://openalex.org/W1968362055
- https://openalex.org/W1974702352
- https://openalex.org/W1976165265
- https://openalex.org/W1978031659
- https://openalex.org/W1982398126
- https://openalex.org/W2010216838
- https://openalex.org/W2010704774
- https://openalex.org/W2011901356
- https://openalex.org/W2022810388
- https://openalex.org/W2037955548
- https://openalex.org/W2059315052
- https://openalex.org/W2069368591
- https://openalex.org/W2071976647
- https://openalex.org/W2072790036
- https://openalex.org/W2080659521
- https://openalex.org/W2085720948
- https://openalex.org/W2088336933
- https://openalex.org/W2096445739
- https://openalex.org/W2101474368
- https://openalex.org/W2286880570
- https://openalex.org/W2439273169
- https://openalex.org/W2543205889
- https://openalex.org/W2564472272
- https://openalex.org/W2604611318
- https://openalex.org/W2742177062
- https://openalex.org/W2900210940
- https://openalex.org/W2903790537
- https://openalex.org/W2926853997
- https://openalex.org/W2932192937
- https://openalex.org/W2981875882
- https://openalex.org/W3052303191
- https://openalex.org/W3101294684
- https://openalex.org/W3101998326
- https://openalex.org/W3104406349
- https://openalex.org/W3129389843
- https://openalex.org/W4281718057