Diss. (sammanfattning) Uppsala : Univ., 2002. / Härtill 6 uppsatser.

The dilute magnetic semiconductor (Ga,Mn)As , which is the most interesting and promising material for spintronics applications, has been theoretically studied by using Density Functional Theory. First of all, calculations on GaAs were done and it was found that GaAs is a semiconductor with a direct band gap. The calculated value of the band gap is ~ 0.5eV. Secondly, the material iron was considered and it was confirmed that iron is a ferromagnetic metal with 2.2µB net magnetic moment. Then a magnetic impurity of manganese, Mn was introduced in the nonmagnetic GaAs and it became ferromagnetic with a net magnetic moment of 4µB. The origin of the ferromagnetic behaviour is discussed and also the Curie temperature TC of the material. It appeared that (Ga,Mn)As is a suitable material for DMS but TC has to be increased before (Ga,Mn)As could be used for spintronics applications and on that account some methods of increasing TC are considered at the end. / Den magnetiska halvledaren (Ga,Mn)As som är det mest intressanta och lovande materialet för spinelektroniska tillämpningar har teoretiskt undersökts med hjälp av Täthetsfunktionalteorin. Först gjordes beräkningar på GaAs och det visade sig att GaAs är en halvledare med direkt bandgap. Det beräknade värdet på bandgapet är ca 0.5eV. Sedan var det järn som undersöktes och det blev bekräftat att järn är en ferromagnetisk metall med netto magnetisk moment lika med 2.2μB. Då magnetiska störningar i form av mangan atomer, Mn, infördes i det omagnetiska GaAs blev halvledaren ferromagnetisk med netto magnetisk moment lika med 4μB. Orsakerna till den ferromagnetiska ordningen diskuteras och även Curie temperaturen TC för materialet. Det visade sig att (Ga,Mn)As är ett lämpligt material för tillverkning av magnetiska halvledare men TC måste ökas innan (Ga,Mn)As skulle kunna användas i spinntroniska tillämpningar och av det skälet anges i slutet vissa metoder för att öka TC.

Silicon manufacturers are experiencing shortages ofsemiconductors and the demand for cost-effective, power-efficientembedded memory solutions is increasing. For these issues, a newemerging memory technology called embedded magnetoresistiverandom access memory (eMRAM) and the development of thewrite mechanism called spin-transfer torque (STT-MRAM) havebeen proposed. The eMRAM has non-volatility, reduced totalenergy consumption, fast read/write operation and has a smallmacro size compared to the semiconductor-based memory typessuch as SRAM, Flash and EEPROM. The purpose of thisstudy is to investigate eMRAM and how it can be used in amicrocontroller to replace all three existing, semiconductor-basedmemory types. The focus will be on how solution can be createdwith smaller memory chip area, improved energy efficiency andfaster read/write operations. A literature review was established,to determine if eMRAM does indeed result in better memorycharacteristics and memory performance. As well as to determinethe requirements that is needed for a flash-type and SRAMtypeapplication. The study shows that eMRAM have a potentialto create many solutions for a microcontroller, such as it hasthe potential to simplify its memory architecture by providing aunified memory solution for its code and data storage as well asfor its working memory. / Halvedartillverkarna står inför svårigheter på grund av bristen på halvledare och att efterfrågan på kostnadseffektiva, strömsnåla inbyggda minneslösningar ökas. För att lösa dessa problem har en ny framväxande minnesteknik som kallas för inbyggd magnetoresistivt slumpmässigt åtkomstminne (eMRAM) och utvecklingen av skrivmekanismen som kallas för spinn-överföringsmoment (STT-MRAM) föreslagits. eMRAM har icke-flyktighet, en låg total energiförbrukning, snabba läsoch skrivfunktioner och har en liten makrostorlek jämfört med de halvledarbaserade minnestyperna såsom SRAM, Flash och EEPROM. Syftet med denna studie är att undersöka eMRAM och hur det kan användas i en mikrokontroller för att ersätta alla tre befintliga halvledarbaserade minnestyper. Fokuset kommer att ligga på hur en lösning kan skapas med mindre minneschipyta, bättre energieffektivitet och snabbare läsoch skrivoperationer. En litteraturgenomgång gjordes för att fastställa om eMRAM verkligen resulterar i bättre minnesegenskaper samt minnesprestanda och att fastställa de krav som krävs för en tillämpning av en flash-typ och en SRAM-typ applikation. Undersökningen visar att eMRAM har en potential att skapa många lösningar för en mikrokontroller, t.ex. har den som potential att förenkla dess minnesarkitektur genom att bidra med en enhetlig minneslösning för kod- och datalagring samt för arbetsminnet. / Kandidatexjobb i elektroteknik 2022, KTH, Stockholm

Spintronics is the study of electron spins and their utilization in electronic devices. Within this field, spin-based oscillators have shown promise for mi- crowave signal generation as they can operate at high frequencies, are small in scale and are compatible with modern fabrication techniques. Among these oscillators are the spin Hall nano-oscillators (SHNOs). They are nanoscale thin-film structures driven by pure spin-current injection from a primary con- ductor into a ferromagnetic material. This process can be used to generate microwave signals through oscillations in the material’s magnetization. By constraining the current flow in the device to individual constrictions, an ar- ray arrangement of multiple oscillators can be realized. These oscillators can then be coupled together via their internal interactions to achieve mutual syn- chronization and improve their characteristics.In this work, a versatile micromagnetic modelling procedure for simulating constriction-based SHNOs and their synchronization dynamics in different ar- ray arrangements is presented. A case study of various 2x2 array geometries is conducted along with an exploration of higher-order networks of 4x4, 6x6 and 8x8 oscillators. A perturbative optimization algorithm is developed to improve excitation conditions and drive geometries into a synchronized regime. Lastly, a comparison to nonlinear auto-oscillator theory is presented to illustrate the dependence of generated signals on constriction sizes and the spacing between oscillators. Mutual synchronization between multiple oscillators is achieved and favourable geometry and excitation conditions are defined. The conducted simulations show good agreement with experimental results and illustrate the potential for future studies of SHNO characteristics through micromagnetic modelling. / Spinntronik är ett forskningsområde, som handlar om hur elektronens s.k. spinn kan användas i elektroniska komponenter. Inom detta område har spinnbaserade oscillatorer visat sig ha lovande egenskaper för generering av mikrovågssignaler, eftersom de har höga arbetsfrekvenser, liten storlek och är kompatibla med moderna tillverkningstekniker. En typ av dessa oscillatorer kallas spinn-Hall nano-oscillatorer (SHNO). De är nanometerstora tunnfilms- strukturer, vilka drivs av en ren spinnström, som injiceras från en (metallisk) ledare till en ett ferromagnetiskt material. Denna mekanism kan användas för att skapa mikrovågssignaler genom oscillationer i materialets magnetisering. Genom att begränsa strömflödet i komponenten till enskilda gap kan man skapa en matris med ett stort antal oscillatorer. Dessa oscillatorer kan sedan kopplas till varandra genom interna utbytesmekanismer och på så sätt uppnår man en ömsesidig koppling och förbättrade egenskaper.I detta arbete presenteras ett mångsidigt mikromagnetiskt modelleringsflö- de, för att simulera SHNO:er, baserade på nano-gap, och deras synkronisering i olika matriskonfigurationer. En fallstudie som inkluderar olika 2x2 matris- geometrier har genomförts tillsammans med explorativ utforskning av högre ordnings nätverk, såsom 4x4, 6x6 och 8x8 oscillatorer. En störnings-baserad optimerings-algoritm har utvecklats för att förbättra exciterings-parametrarna och för att tvinga geometrierna in i en synkroniserad regim. Som en avslutning presenteras en jämförelse med icke-linjär auto-oscillatorteori för att visa den genererade signalens beroende på gapens storlek och avståndet mellan dem. Ömsesidig synkronisering mellan flera oscillatorer kunde uppnås och en för- delaktig geometri samt lämpliga värden på exciterings-parametrarna kunde definieras. Simuleringarna i studien hade bra överensstämmelse med experi- mentella resultat och visar på potentialen för vidare studier av SHNO egen- skaper med hjälp av mikromagnetisk modellering.

Spin-torque transfer (STT) effects have brought spintronics ever closer to practical electronic applications, such as MRAM and active broadband microwave spin-torque oscillator (STO), and have emerged as an increasingly attractive field of research in spin dynamics. Utilizing materials with perpendicular magnetic anisotropy (PMA) in such applications offers several great advantages such as low-current, low-field operation combined with high thermal stability. The exchange coupling that a PMA thin film exerts on an adjacent in-plane magnetic anisotropy (IMA) layer can tilt the IMA magnetization direction out of plane, thus creating a stack with an effective tilted magnetic anisotropy. The tilt angle can be engineered via both intrinsic material parameters, such as the PMA and the saturation magnetization, and extrinsic parameters, such as the layer thicknesses.       STOs can be fabricated in one of a number of forms—as a nanocontact opening on a mesa from a deposited pseudospin-valve (PSV) structure, or as a nanopillar etching from magnetic tunneling junction (MTJ)—composed of highly reproducible PMA or predetermined tilted magnetic anisotropy layers.       All-perpendicular CoFeB MTJ STOs showed high-frequency microwave generation with extremely high current tunability, all achieved at low applied biases. Spin-torque ferromagnetic resonance (ST-FMR) measurements and analysis revealed the bias dependence of spin-torque components, thus promise great potential for direct gate-voltage controlled STOs.       In all-perpendicular PSV STOs, magnetic droplets were observed underneath the nanocontact area at a low drive current and low applied field. Furthermore, preliminary results for microwave auto-oscillation and droplet solitons were obtained from tilted-polarizer PSV STOs. These are promising and would be worth investigating in further studies of STT driven spin dynamics. / Effekter av spinnvridmoment (STT) har fört spinntroniken allt närmare praktiska elektroniska tillämpningar, såsom MRAM och den spinntroniska mikrovågsoscillatorn (STO), och har blivit ett allt mer attraktivt forskningsområde inom spinndynamik. Användning av material med vinkelrät magnetisk anisotropi (PMA) i sådana tillämpningar erbjuder flera stora fördelar, såsom låg strömförbrukning och funktion vid låga fält i kombination med hög termisk stabilitet. Den utbyteskoppling (”exchange bias”) en PMA-tunnfilm utövar på ett intilliggande skikt med magnetisk anisotropi i planet (IMA) kan få IMA-magnetiseringsriktningen att vridas ut ur planet, vilket ger en materialstack med en effektivt sett lutande magnetisk anisotropi. Lutningsvinkeln kan manipuleras med både inre materialparametrar, såsom PMA och mättningsmagnetisering, och yttre parametrar, såsom skikttjocklekarna. STO:er kan tillverkas som flera olika typer - som en nanokontaktsöppning på en s.k. mesa av en deponerad pseudospinnventilstruktur (PSV) eller som en nanotråd etsad ur en magnetisk tunnlingsövergång (MTJ) –och bestå av mycket reproducerbar PMA eller av skikt med på förhand bestämt lutning av dess magnetiska anisotropi. MTJ-STO:er av CoFeB med helt vinkelrät anisotropi visar högfrekvent mikrovågsgenerering med extremt stort frekvensomfång hos strömstyrningen, detta vid låg biasering. Mätning och analys av spinnvridmoments-ferromagnetisk resonans (ST-FMR) avslöjade ett biasberoende hos spinnvridmomentskomponenter, vilket indikerar en stor potential för direkt gate-spänningsstyrda STO:er. I helt vinkelräta PSV-STO:er observerades magnetiska droppar under nanokontaktområdet vid låg drivström och lågt pålagt fält. Dessutom erhölls preliminära resultat av mikrovågssjälvsvängning och av s.k. ”droplet solitons” hos PSV-STO:er med lutande polarisator. Dessa är lovande och skulle vara värda att undersökas i ytterligare studier av STT-driven spinndynamik. / <p>QC 20160829</p>