[科普中国]-形状各向异性

形状各向异性是指物质某些性质随着形状的改变而有所变化，不同的形状上会呈现出差异的性质，有时可以通过改变矩形的长宽之比来改变材料的形状各向异性。

定义形状各向异性是指物质的全部或部分化学、物理等性质随着形状的改变而有所变化，在不同的形状上呈现出差异的性质，可以通过改变矩形的长宽之比来改变材料的形状各向异性。

磁性纳米体系形状各向异性近年来，在磁记录的研究领域中，由于磁性纳米体系在未来的非易失性磁随机存储器（MRAM）上的重要应用，使得其微结构和磁化反转过程受到研究者的关注。从读取信息的角度而言，MRAM应该具有稳定的存储状态，从写入信息的角度而言，该器件应该具有适当大小的矫顽力和稳定的磁化态，而这些特性与器件的形状密切相关，因此，在设计器件的时候，形状对其记录性能的影响不可忽略。

由于形状对MRAM磁化反转过程具有重要的影响，因此，科学家们对矩形、圆、椭圆、圆环等等一系列形状的磁记录介质进行了研究，希望对其磁化反转过程进行控制，但是研究结果发现不同形状的MRAM都有一定的优点，但是也存在一些缺点。

用微磁学理论模拟了形状对磁性纳米体系矫顽力的影响。模拟结果显示当厚度一定时，随其长度和宽度的增加，体系矫顽力先迅速降低，然后逐渐趋于平缓。体系的形状各向异性来源于退磁场，退磁场取决于退磁因子，通过计算体系的退磁因子，结果表明矫顽力降低的原因主要来源于形状各向异性。同时，对不同尺寸纳米体系的磁化反转过程进行了研究，结果发现当体系X和Y方向尺寸比较小时，随着反向磁场的增加，此体系先在四角成核，然后带动边缘的磁畴优先反转，最后使整个体系达到完全反转。当体系X和Y方向尺寸达到500nm的时候，也就是体系z轴方向接近于1的时候，模拟结果显示其磁化反转过程并非是由边缘逐渐向中心过渡，而是在边缘反转的同时，中间的磁畴也开始成核共同参与磁化反转过程。1

矩形单元阵列的形状各向异性随着信息技术与电脑的飞速发展，对信息存储密度及速度也在不断提出新的要求。新一代超高密度存储技术的发展方向为不连续磁存储介质。由于在超高密度存储器件及磁性随机存储器上的新发展，吸引了愈来愈多的科学家对图型薄膜的兴趣。从基础研究的观点来看，对于图形薄膜的研究包括了两个方面，其一是图型薄膜的制备，二是物理特性的研究。制备磁存储介质要求具有高各向异性以克服超顺磁效应，高各向异性是指高的垂直各向异性或高的平面各向异性。采用微加工的手段制备不连续介质，即图型薄膜，是首要方法。微加工手段是用光刻、电子束或离子束刻蚀得到比较规则、整齐的图形。不连续介质的物理特性也是国际和国内研究的热点。当维度不仅在厚度方向减小，而且还在横向减小到微米及以下范围时，将会表现出不同于大块材料，也不同于连续薄膜的物理性能，如图形薄膜各单元中形状各向异性的出现以及退磁场和磁化强度的不均匀导致的磁化及激发，从而也会影响到器件性能，包括反磁化开关场的大小与速度。

用振动磁强计和铁磁共振对图形薄膜进行了测量，并对铁磁共振的实验结果进行了理论拟合分析，可以得到如下结论：

（1）矩形单元阵列薄膜膜面内存在着很明显的形状各向异性，其易磁化方向为单元的长边方向，难磁化方向为短边方向。由于正方形单元在刻蚀时，掩模版的边缘效应，使得直角处被蚀刻掉，而近似成为不等边八边形。FMR实验表明其共振场的角度依赖性质与以往的正方形单元不同。其正方边为最易磁化方向，八边形的四个短边方向为次易磁化方向，成180度的对角连线为难磁化方向。

（2）面内形状各向异性是均匀磁化的退磁场和非均匀磁化退磁场共同作用的结果，随着单元尺寸的增大，不均匀磁化的贡献逐渐减小。为了能满意的对FMR实验数据进行理论拟合，在自由能表达式中加入了八度对称的各向异性能。

（3）在单元长度一定的情况下，面内形状各向异性随着单元矩形比的增大，即单元宽度的减小而增加，而面外各向异性则是随着矩形比的增大而减小。2

对垂直磁隧道结磁化动态的影响通过在宏自旋模型中同时考虑MTJ自由层的长度、宽度和厚度的方法，刘斌等3系统研究了形状各向异性对磁矩翻转时间、阂值电流密度的影响。结果表明，在MTJ自由层厚度一定时，其长度越长磁矩翻转时间越短，阂值电流密度也越小；相反在MTJ自由层长度一定时，其厚度越小磁矩翻转时间则越短，阈值电流密度也越小。然而，为了提高存储密度，在制作时不可以无休止地增大MTJ的长度，相反应该适当减小；同时考虑到STT-MRAM设备的实用性，也不可以大幅度降低MTJ的厚度，因为热扰动的存在会导致磁矩变得不稳定。同时研究发现，在自由层磁矩倾角较小时，磁矩翻转时间及阈值电流密度会大幅度缩减。另外，与以往在宏自旋模型中只考虑自由层厚度（或是假定截面积无穷大）的处理方法相比，该种处理方法可以更为便捷、形象、具体地反映自由层的尺寸对磁矩振荡的影响，更为准确地展示了MTJ自由层尺寸对磁矩动态特性影响的基本规律。因此，采用这种处理方法来研究磁矩的动态特性，不但可以得到更加有意义的结果，而且能够为磁存储器件的制备和应用提供更为准确的理论依据。3

本词条内容贡献者为:

陈红 - 副教授 - 西南大学