Micromagnetic modeling for the design of spintronic sensors and logic gates devices

Micromagnetic modeling is a powerful approach that allows to study, design and optimize spintronic devices in an affordable, reliable and relatively quick way. For the next generation nanoelectronics, among the most promising devices are the spintronic ones. The spin-based technologies result particularly interesting due to their properties: nanometer size, low energy consumption, non-volatility, high scalability, large speed and CMOS integrability. Moreover, spintronic devices are incredibly versatile in terms of applications. One of the most important spintronic structures is the magnetic tunnel junction (MTJ), that can be schematized as a sandwich of two magnetic layers intercalated by an oxide barrier. MTJs, depending on the input, show a plethora of possible applications, such as memories, amplifiers, nano-oscillators, sensors or diodes. Moreover, the application possibilities of spintronic devices can be further extended. In fact, by designing them with different materials, exploiting the different properties, for example, of ferromagnets or ferrimagnets, their applications can range from megahertz to terahertz. Three applications are presented in this thesis: first, it is shown how to perform in-memory logic operations with a MTJ as a logic unit, without any intermediate electronic circuitry. Here, the operations are performed without any applied external magnetic field, by exploiting the Voltage Controlled Magnetic Anisotropy (VCMA). The basic structure consists of two MOSFET access devices and two MTJs, in a specular configuration, connected in series. The IMP and NOT logic operations are chosen as logic bases for operations and are performed only by supplying a DC voltage to the circuit structure. Second, it is studied the effect of an external magnetic field applied to a nonresonant low-frequency-tail spin-torque diode at room temperature. The system is analyzed in terms of DC output voltage. The existence of a range of values of the injected AC current that promotes a linear behavior of the output voltage of field down to the pT range is shown, that is useful for the development of a magnetic field sensor. Finally, a transition metal/rare earth ferrimagnet (FiM) system in a spin Hall geometry is analyzed micromagnetically. In particular, the current-driving magnetization dynamics of the system is studied as a function of the uncompensation parameter of the angular momentum of the two sublattices. The interest in FiM materials for spin-based devices are their combination of the ultrafast dynamics, typical of antiferromagnets, with an easier way to control the magnetic state, which is typical of ferromagnets. Other than the possible dynamics, two particular interesting effects are shown: the first is that a self-oscillation is the only possible dynamical state at the angular momentum compensation point, while the second is a finite discontinuity near the magnetization compensation point originated by the demagnetizing field which controls the type of dynamics behind the switching. It is finally shown how interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI) affects frequency and amplitude on switching time and self-oscillations of the magnetization.

La modellizzazione micromagnetica è un approccio potente che consente di studiare, progettare e ottimizzare dispositivi spintronici in modo economico, affidabile e relativamente rapido. Per la nanoelettronica di prossima generazione, tra i dispositivi più promettenti ci sono quelli spintronici. Le tecnologie basate sullo spin risultano particolarmente interessanti per le loro proprietà: dimensione nanometrica, basso consumo energetico, non volatilità, elevata scalabilità, grande velocità e integrabilità con i CMOS. Inoltre, i dispositivi spintronici sono incredibilmente versatili in termini di applicazioni. Una delle strutture spintroniche più importanti è la giunzione magnetica ad effetto tunnel (MTJ), che può essere schematizzata come un sistema di due strati magnetici intercalati da una barriera di ossido. Gli MTJ, a seconda del segnale di ingresso, mostrano una miriade di possibili applicazioni, come memorie, amplificatori, nano-oscillatori, sensori o diodi. Inoltre, le possibilità applicative dei dispositivi spintronici possono essere ulteriormente estese. Difatti, progettandoli con materiali diversi e sfruttando le diverse proprietà, ad esempio di ferromagneti o ferrimagneti, le loro applicazioni possono spaziare dai megahertz ai terahertz. In questa tesi vengono presentate tre applicazioni: in primo luogo, viene mostrato come eseguire operazioni logiche in memoria con un MTJ come unità logica, senza alcun circuito elettronico intermedio. Qui, le operazioni vengono eseguite senza alcun campo magnetico esterno applicato, sfruttando l'anisotropia magnetica controllata dalla tensione (VCMA). La struttura di base è costituita da due dispositivi di accesso MOSFET e due MTJ, in configurazione speculare, collegati in serie. Le operazioni logiche IMP e NOT vengono scelte come basi logiche per le operazioni e vengono eseguite solo fornendo una tensione continua alla struttura circuitale. In secondo luogo, viene studiato l'effetto di un campo magnetico esterno applicato a un diodo spin-torque non risonante con coda a bassa frequenza a temperatura ambiente. Il sistema viene analizzato in termini di tensione continua di uscita. Viene mostrata l'esistenza di un intervallo di valori della corrente alternata iniettata che favorisce un comportamento lineare della tensione di uscita come risposta all'applicazione di un campo magnetico fino all'intervallo pT, utile per lo sviluppo di un sensore di campo magnetico. Infine, viene analizzato micromagneticamente un sistema di metalli di transizione/terre rare ferrimagnetici(FiM) in una geometria di Spin Hall. In particolare, viene studiata la dinamica di magnetizzazione del sistema che guida la corrente in funzione del parametro di non compensazione del momento angolare dei due sottoreticoli. L'interesse per i materiali FiM per dispositivi basati sullo spin è la loro combinazione della dinamica ultraveloce, tipica degli antiferromagneti, con un modo più semplice per controllare lo stato magnetico, tipico dei ferromagneti. Oltre alle possibili dinamiche, vengono mostrati due effetti particolarmente interessanti: il primo è che un'auto-oscillazione è l'unico stato dinamico possibile nel punto di compensazione del momento angolare, mentre il secondo è una discontinuità finita vicino al punto di compensazione della magnetizzazione originata dal campo magnetostatico che controlla il tipo di dinamica dietro la commutazione. Viene infine mostrato come l'interazione interfacciale Dzyaloshinskii-Moriya (DMI) influenza la frequenza e l'ampiezza sul tempo di commutazione e sulle auto-oscillazioni della magnetizzazione.