應(yīng)用磁電子學(xué)：6-納米尺度下的磁性

1、納米尺度下的磁性一、納米概述二、納米尺度下的磁學(xué)理論及其應(yīng)用三、納米磁性材料的制備四、納米磁性材料的表征和測試一、納米概述1、納米就是介觀嗎？何為“介觀”：籠統(tǒng)的定義：介于宏觀與微觀，尺度1 nm100 nm存在問題：為什么將這個(gè)尺度范圍稱為介觀？解釋：室溫下電子輸運(yùn)非彈性散射時(shí)間1013 s；費(fèi)米速度vF108 cm/s；非彈性散射平均自由程：lvF100 nm。非彈性散射會(huì)破壞電子相位相干性。介觀尺度就是電子運(yùn)動(dòng)能保持相位相干性的尺度范圍。值得注意的是，介觀尺度和溫度有關(guān)。溫度降低會(huì)變長，導(dǎo)致介觀尺度的增大。例如尺度為1 m樣品，室溫屬于宏觀范圍，但當(dāng)溫度降到幾K時(shí)，此時(shí)微米尺度也為介觀范

2、圍。2、納米材料的種類0維，1維和2維0維：在三個(gè)空間方向上控制尺度在納米量級納米顆粒，量子點(diǎn)，納米磁性液體等1維：在兩個(gè)空間方向上控制尺度在納米量級納米線，納米棒等2維：在一個(gè)空間方向上控制尺度在納米量級納米薄膜3、磁性材料納米尺度下的特征量單磁疇尺度疇壁厚度（交換長度）界面交換耦合有效長度間接交換作用有效長度平均自由層和自旋擴(kuò)散長度（室溫）二、納米尺度下的磁學(xué)理論及其應(yīng)用1、單疇理論和Stoner-Wohlfarth模型單疇臨界尺寸納米顆粒退磁場能：疇壁能：當(dāng)尺寸小于某臨界值，如果形成疇壁（假設(shè)疇壁跨過整個(gè)顆粒）增加的疇壁能超過不形成疇壁的退磁場能，則疇壁的形成在能量上不穩(wěn)定。臨界半徑對應(yīng)

3、于以上兩種能量相等時(shí)的半徑。容易算出：舉例：以Fe為例：MS=1700 kA/m, A=2.1610-21J, K=4.2104J/m3, a=2.8610-10m, s=1可以算出：RC3 nm。比Fe實(shí)際的單疇臨界尺寸小一個(gè)量級。原因：以上計(jì)算假定疇內(nèi)磁矩均平行地沿易軸排列，這僅在各向異性能較強(qiáng)時(shí)成立。Fe的磁晶各向異性并不強(qiáng)，導(dǎo)致顆粒磁矩并非傾向于相互平行并沿易軸，而是傾向于與球面平行，從而導(dǎo)致磁矩之間不平行，并產(chǎn)生交換能。當(dāng)尺寸足夠小，以致形成疇壁帶來退磁場能的減小不足以抵消交換能，就變成單疇。更詳細(xì)的計(jì)算：簡化模型：將球分成一系列相互平行的圓柱體，每一圓柱體上磁矩與圓柱面平行。對于半

4、徑為r的圓柱，旋轉(zhuǎn)一周，磁矩取向的弧度改變量為2，從而得出交換能密度為：在圓柱坐標(biāo)系中，交換能密度在球形體積上的積分為：臨界半徑對應(yīng)于交換能密度和退磁場能密度fd相等：最終算出臨界半徑為：已有人對這種軟磁納米（或亞微米）顆粒中磁矩的非平行排列進(jìn)行過研究。他們在亞微米破莫合金(Permalloy)顆粒中發(fā)現(xiàn)了渦旋狀(vortex)磁矩：Phys. Rev. B 65 (2002) 060402 Appl. Phys. Lett. 78 (2001) 3848納米薄膜設(shè)薄膜厚度為t，長度為L（平行與各向異性場），寬度為W，疇壁間隔為d。磁疇個(gè)數(shù)：W/d；疇壁個(gè)數(shù)：(W/d)-1；單個(gè)疇壁面積：tL

5、；疇壁總能量：單位體積疇壁能：Kittle計(jì)算了這種磁疇結(jié)構(gòu)薄膜的退磁場能密度：總自由能密度：根據(jù)能量最小時(shí)：可得平衡時(shí)疇壁間隔為：可見，減小薄膜厚度可以增大單個(gè)磁疇寬度，減少疇壁個(gè)數(shù)。根據(jù)上述d0可得平衡時(shí)的總能量：可見，總能量正比于t1/2，而退磁場能正比與t。當(dāng)t小于某臨界值tC，疇壁存在的總能量比不計(jì)疇壁的退磁場能還要大，此時(shí)疇壁消失，薄膜變成單疇狀態(tài)。單疇臨界厚度：可見，減小飽和磁化強(qiáng)度，增大長寬比(L/W)與疇壁能密度有利于增大臨界厚度。舉例：L/W5，dw0.1 mJ/m2，0MS0.625 T，可以算出：tC13.7 nm。磁電子學(xué)中很多相關(guān)薄膜厚度僅為幾個(gè)納米，因而基本都是單

6、疇結(jié)構(gòu)。Stoner-Wohlfarth(SW)模型用于討論單個(gè)單疇顆粒的磁化問題，在單疇薄膜材料中有廣泛應(yīng)用。假設(shè)外磁場可沿任意方向，與易軸夾角為，磁化強(qiáng)度與磁場夾角為，則自由能為：根據(jù)平衡條件：可以得出：根據(jù)上述方程加上穩(wěn)定平衡條件：取相應(yīng)的最小m即得外磁場和易軸取不同夾角時(shí)的磁化曲線。幾個(gè)特殊情況：1、0或90考慮穩(wěn)定條件，方程可化為：相應(yīng)的解為：2、090可以根據(jù)的值作出相應(yīng)的m-h曲線。值得注意的是，在此范圍內(nèi)，m不可能增大到1。3、反磁化過程當(dāng)較小時(shí)，反向磁化過程會(huì)發(fā)生一個(gè)磁化強(qiáng)度的突變，對應(yīng)于：相應(yīng)的磁場稱為轉(zhuǎn)換場hS,單疇之下超順磁性當(dāng)顆粒尺寸減小到單疇臨界尺寸之下時(shí)，顆粒內(nèi)部

7、交換作用和各向異性場依然存在。以單軸各向異性為例，顆粒內(nèi)部磁矩在易軸的兩個(gè)方向之間翻轉(zhuǎn)所需克服能量為KV。這種翻轉(zhuǎn)過程需要多長時(shí)間？Arrhenius公式：可見，當(dāng)溫度一定，顆粒體積減小可使特征弛豫時(shí)間以指數(shù)形式減小。如果遠(yuǎn)小于磁性測量時(shí)間（100 s），在測量時(shí)間范圍內(nèi)，磁矩可在易軸的兩個(gè)方向之間翻轉(zhuǎn)很多次，從而導(dǎo)致測量到的磁化強(qiáng)度（時(shí)間平均值）為零。此即超順磁性的基本物理圖像。超順磁性的三大影響因素：1、磁各向異性常數(shù)軟磁材料K較小，硬磁材料則相反。因此，在相同溫度和體積下，軟磁材料弛豫時(shí)間將比硬磁材料小。2、體積在相同溫度下，要使軟、硬磁材料弛豫時(shí)間相同，硬磁材料體積應(yīng)比軟磁材料小。3、

8、溫度對于同種材料，溫度降低會(huì)導(dǎo)致弛豫時(shí)間指數(shù)增大，當(dāng)弛豫時(shí)間增大到超過測量時(shí)間時(shí)，磁矩在測量時(shí)間范圍內(nèi)無法在易軸兩方向之間翻轉(zhuǎn)，此即所謂的“截止”(Blocking)狀態(tài)。舉例：以Fe為例作業(yè)：設(shè)磁性測量時(shí)間為100 s，截止溫度為TB，證明：KV=25kBTB。超順磁性材料在外磁場和溫度作用下的響應(yīng)定性分析：外磁場作用下，易軸兩相反方向能量不再一樣。其中接近外磁場的方向能量較低，取向沿此方向的磁矩?cái)?shù)目較多，帶來一個(gè)磁化強(qiáng)度的響應(yīng)。磁場越強(qiáng)，能磊越小，磁化強(qiáng)度越大，當(dāng)磁場足夠強(qiáng)，所以磁矩幾乎全部沿靠近外場的易軸方向。從動(dòng)力學(xué)角度講，對于超順磁性，由于能磊更小，翻轉(zhuǎn)很快，因而完全可以跟上外磁場的

9、變換，不會(huì)表現(xiàn)磁滯后。定量描述：假設(shè)外場沿易磁化軸特殊情況：1、固定外加磁場，較高溫度下：其中N的數(shù)值成百上千，而一般順磁性N只是個(gè)位數(shù)，這也是超順磁性中“超級”的意思。2、固定溫度，改變磁場：紅色：L (Langevin)藍(lán)色：tanh超順磁性和順磁性的異同超順磁性：基本單元：顆粒磁矩；顆粒內(nèi)部存在交換作用，但忽略顆粒間相互作用；磁矩在簡并的易軸狀態(tài)之間翻轉(zhuǎn)。順磁性：基本單元：孤立磁矩；磁矩之間無相互作用；在幾個(gè)量子化方向之間翻轉(zhuǎn)（對應(yīng)于不同投影值）。超順磁性的利與弊超順磁性的應(yīng)用：1、航空航天磁性液體：用于密封宇航員頭盔2、生物醫(yī)用生物分子的檢測；疾病的診斷(如MRI)；疾病的治療超順磁性

10、的不利之處：限制硬盤存儲(chǔ)密度的提高通常用具有較高磁晶各向異性的材料，可以減小每個(gè)bit的體積。50 nm bits BPM(bit pattern media)單疇顆粒間的磁相互作用以上關(guān)于超順磁性和S-W模型的討論是建立在假定單疇顆粒之間沒有相互作用的基礎(chǔ)上。但對于實(shí)際的單疇磁性顆粒的集聚體，顆粒之間存在磁相互作用。兩種可能的磁相互作用：1、交換作用顆粒團(tuán)聚嚴(yán)重，邊界實(shí)際連在一起。2、偶極作用（本質(zhì)是退磁場效應(yīng)）顆粒具有較好的分散性，但又不是隔離較遠(yuǎn)。問題：實(shí)驗(yàn)室如何判斷顆粒間相互作用的類型與強(qiáng)弱？顆粒間磁相互作用對磁性的影響1、對超順磁性的影響：顆粒間磁相互作用導(dǎo)致磁矩翻轉(zhuǎn)除了要克服磁晶各

11、向異性能，還要克服額外的能磊，從而導(dǎo)致截止溫度的升高。在較高溫度下：2、對磁化動(dòng)力學(xué)的影響：求解LLG方程時(shí)，有效場除了考慮外磁場，各向異性場，退磁場等，還必須考慮邊界交換作用或偶極作用場。表面類自旋玻璃態(tài)磁性材料的表面原子相比內(nèi)部原子存在配位數(shù)缺失，從而導(dǎo)致表面磁矩的交換作用相比內(nèi)部減弱。宏觀尺度材料：表面磁矩所占比例可忽略不計(jì)，不會(huì)對材料 的宏觀磁性造成較大影響。小尺寸納米材料：表面磁矩所占比例不可忽略。表面結(jié)構(gòu)的復(fù)雜導(dǎo)致表面磁矩之間交換作用強(qiáng)弱正負(fù)無序，從而導(dǎo)致類自旋玻璃態(tài)的出現(xiàn)。類自旋玻璃態(tài)存在多個(gè)能量相近的無序狀態(tài)。溫度較高：表面磁矩可以快速“遍歷”這些狀態(tài)。溫度較低：表面磁矩會(huì)“凍

12、結(jié)”于某一特定狀態(tài)。表面類自旋玻璃態(tài)對小尺寸納米材料磁性的影響1、可能會(huì)降低居里溫度原因：表面原子配位數(shù)缺失會(huì)減弱表面部分的交換作用。對小尺寸納米材料，這會(huì)帶來居里溫度的顯著下降。2、可能會(huì)減小飽和磁化強(qiáng)度原因：表面磁矩存在無序且減弱的交換作用，導(dǎo)致表面磁矩在外磁場下響應(yīng)減弱，表面存在一層“惰性磁化層”，厚度一般為幾個(gè)納米。3、凍結(jié)溫度以下會(huì)導(dǎo)致飽和磁化強(qiáng)度的明顯增大原因：相比高溫下磁矩在眾多無序態(tài)間的高速遍歷，低溫下表面磁矩發(fā)生凍結(jié)后磁矩在外磁場方向的投影會(huì)有所增大。舉例：熱分解法制備平均粒徑為7.5 nm的MnFe2O4納米顆粒，其MS隨T變化如右圖所示，滿足：擬合得到：0 K時(shí)的飽和磁化

13、強(qiáng)度：52.8 emu/gMnFe2O4塊材：80 emu/g根據(jù)此差別可以估算顆粒表面惰性磁化層厚度約為0.5 nm。20 K以下也觀察到MS的顯著增大，源于表面無序態(tài)的凍結(jié)。另外，擬合得到的參數(shù)為2.3，明顯偏離了經(jīng)典的T3/2定律。這已不是表面效應(yīng)，而是源自內(nèi)部交換場的增強(qiáng)。JMMM 324 (2012) 25342、交換耦合界面交換作用和間接交換作用交換耦合：兩種不同的磁性材料，當(dāng)它們密切接觸或被一層足夠薄的層(6 nm)隔開，磁矩信息在兩種材料之間傳遞。幾個(gè)關(guān)鍵概念：交換長度在鐵磁材料的一些局部區(qū)域（如疇壁或界面），磁矩會(huì)偏離平行排列。從開始偏離到回歸平行排列存在一個(gè)過渡區(qū)域，這個(gè)區(qū)

14、域的長度即為交換長度(lex)。以Bloch型疇壁為例：對于Fe,Co,Ni，A11011 J/m；K分別為48，410，4.5 kJ/m3；可以算出它們的lex分別為14，5，47 nm?？梢姼飨虍愋詧鲈饺?，交換長度越長。如果材料尺度超過交換長度，材料中就會(huì)形成穩(wěn)定的扭曲磁化結(jié)構(gòu)。交換場：分子場：磁矩平行排列狀態(tài)下單個(gè)磁矩受到的等效場交換場：磁矩偏離平行排列時(shí)單個(gè)磁矩受到的等效場對單個(gè)磁矩，磁矩取向偏離平行帶來的交換能：設(shè)交換場為Hex，應(yīng)有：得出：可見，交換場與偏轉(zhuǎn)部分的長度平方成反比，對一般鐵磁材料，可以估算：l1 nm，Hex107 A/m；l100 nm，Hex103 A/m；l1

15、m，Hex10 A/m；l1 mm，Hex105 A/m；分子場：109 A/m 交換偏置效應(yīng)鐵磁/反鐵磁界面耦合現(xiàn)象：1956年Meiklejohn和Bean觀察到表面存在反鐵磁氧化層(CoO)的鐵磁Co納米顆粒在磁場環(huán)境下冷卻，觀察到磁滯回線沿磁化軸顯著偏移。并伴隨著矯頑力的明顯增大。解釋：加場冷卻過程界面附近形成交換耦合效應(yīng)，使得界面出現(xiàn)平行外場方向的“交換場”。當(dāng)外磁場反向時(shí)，需要更大的外場抵消此交換場才能帶來鐵磁磁矩的反向。這種源自界面交換耦合的各向異性稱為交換各向異性。Phys. Rev. 102 (1956) 1413Phys. Rep. 422 (2005) 65偏置效應(yīng)的影響

16、因素：1、反鐵磁層磁晶各向異性越強(qiáng)，偏置越明顯。2、偏置場隨反鐵磁層厚度增大而增大，當(dāng)反鐵磁層厚度小于某臨界值，偏置消失；厚度超過某值，偏置場不再變化。解釋：交換偏置效應(yīng)的強(qiáng)弱取決于反鐵磁相的磁各向異性能和界面交換能的競爭：a. 反鐵磁層磁各向異性常數(shù)或厚度較小時(shí)，其磁各向異性能遠(yuǎn)小于界面交換耦合，在外磁場作用下，其磁矩會(huì)和鐵磁相磁矩一同轉(zhuǎn)向。b. 而當(dāng)反鐵磁相磁各向異性較強(qiáng)時(shí)，反鐵磁對外場的響應(yīng)明顯比鐵磁相弱，因而可對界面附近鐵磁磁矩形成釘扎。界面交換長度有一定范圍，厚度過大，距界面交換長度以外部分不起作用。3、當(dāng)反鐵磁層厚度一定，交換偏置場反比于鐵磁材料尺寸。鐵磁層尺度越小，被釘扎的磁矩比

17、例越大。解釋：鐵磁相尺寸越小，交換場較強(qiáng)，參與界面交換耦合的磁矩所占比例越大；鐵磁相尺寸較大，交換場較弱，且邊界磁矩會(huì)出現(xiàn)非平行排列。交換偏置效應(yīng)的應(yīng)用：1、可能可用于提高磁存儲(chǔ)密度研究發(fā)現(xiàn)，鐵磁/反鐵磁界面交換耦合會(huì)導(dǎo)致鐵磁納米顆粒超順磁性截止溫度的極大提高。2、用于自旋閥的釘扎層（后面將提及）3、其它需要提供偏置磁場的領(lǐng)域交換彈簧(exchange-spring)耦合軟磁/硬磁界面耦合軟磁材料（如Fe，F(xiàn)e3O4等）通常具有很大的飽和磁化強(qiáng)度，但矯頑力很小；硬磁材料（如Nd2Fe14B，Ba鐵氧體等）通常具有很大的矯頑力，但飽和磁化強(qiáng)度很小。如果實(shí)現(xiàn)兩種材料的有效復(fù)合：（1）復(fù)合材料可以同

18、時(shí)具有較大的矯頑力和飽和磁化強(qiáng)度。（2）相比永磁體，復(fù)合材料的最大磁能積(BH)max顯著增大。Rev. Mod. Phys. 78 (2006) 1為什么叫交換彈簧耦合？右圖給出存在軟磁/硬磁界面交換耦合時(shí)的反磁化示意圖：硬磁層的強(qiáng)各向異性使得界面附近軟磁磁矩被釘扎；(a)(c) 磁化可逆，像彈簧一樣。軟磁/硬磁界面要形成交換耦合，需要滿足以下兩個(gè)關(guān)鍵的條件：（1）軟磁與硬磁相不能只是簡單的物理混合，而是兩相界面要形成鍵合。否則得到的磁滯回線不會(huì)是平滑的連續(xù)曲線，而會(huì)出現(xiàn)階梯現(xiàn)象。（2）軟磁相尺寸不能超過疇壁尺度，否則會(huì)自發(fā)形成磁扭線，影響界面交換耦合。J. Appl. Phys. 106

19、(2009) 073902Rev. Mod. Phys. 78 (2006) 1多層膜層間間接交換作用：GMR效應(yīng)以上討論的交換偏置效應(yīng)和交換彈簧耦合效應(yīng)均源自兩種磁性材料界面處的直接交換耦合。下面討論兩種磁性材料不發(fā)生直接接觸時(shí)產(chǎn)生的間接耦合。在兩層鐵磁材料（如Fe）之間插入一層非磁金屬（如Cr），則可以觀察到，兩鐵磁層之間存在交換耦合效應(yīng)。交換耦合積分隨非磁金屬層厚度增大振蕩衰減，類似RKKY。振蕩周期取決于非磁金屬中s電子的Fermi波長。耦合機(jī)制：s-d或s-f散射GMR效應(yīng)通過選擇合適非磁金屬層厚度使得兩鐵磁層形成反鐵磁耦合，沿某鐵磁層磁矩方向施加磁場，當(dāng)磁場足夠強(qiáng)，另一鐵磁層磁矩會(huì)

20、翻轉(zhuǎn)，伴隨著電阻的顯著下降。結(jié)論：兩鐵磁層反平行：高電阻態(tài)；兩鐵磁層平行：低電阻態(tài)。GMR的應(yīng)用：硬盤讀頭2007年諾貝爾獎(jiǎng)Phys. Rev. Lett. 61 (1988) 2472GMR效應(yīng)的物理機(jī)制：鐵磁/非磁界面自旋相關(guān)散射1、回憶：巡游電子鐵磁材料的能帶存在交換劈裂，少數(shù)自旋平均能量較高。2、鐵磁層某種自旋電子進(jìn)入另一鐵磁層時(shí)，進(jìn)入相同自旋子帶散射較弱，進(jìn)入相反自旋子帶散射較強(qiáng)。3、基于上述1，2，當(dāng)兩鐵磁層自旋反平行時(shí)，界面散射強(qiáng)，電阻大；反之，電阻小。雙流體模型將多數(shù)自旋和少數(shù)自旋形成的電流分別看成相互并聯(lián)的兩條獨(dú)立的通道。當(dāng)電子自旋與某層磁矩同向時(shí)，界面散射弱，電阻小當(dāng)電子自

21、旋與某層磁矩反向時(shí)，界面散射強(qiáng)，電阻大短路效應(yīng)：對于并聯(lián)電路，其關(guān)鍵作用的是小電阻因而當(dāng)兩鐵磁層平行時(shí)，電阻小。兩鐵磁層平行：兩鐵磁層反平行：磁電阻：層間交換與界面交換的結(jié)合：自旋閥(Spin-Valve) 對于鐵磁/非磁/鐵磁(FM/NM/FM)GMR 多層膜中的GMR效應(yīng)，外加磁場沿兩 個(gè)相反方向時(shí)得到的效果是一樣的。 如果在某FM層上增加一層AFM：（1）由于FM/AFM界面存在交換偏置場，相應(yīng)FM層磁矩會(huì)被釘扎在偏置場方向，只有在較高外場下才會(huì)翻轉(zhuǎn)；（2）另一FM層磁矩可自由翻轉(zhuǎn)；使得外場反向時(shí)會(huì)帶來電阻的急劇改變。通過自旋翻轉(zhuǎn)調(diào)控電阻：自旋閥。自旋相關(guān)量子隧穿：隧道磁電阻(TMR)G

22、MR或自旋閥結(jié)構(gòu)中磁性層之間隔得都是一層非磁金屬層。如果將此非磁金屬層換成非常薄的一層絕緣性物質(zhì)（如Al2O3或MgO），也可以觀察到和GMR類似的效應(yīng)。這種結(jié)構(gòu)的復(fù)合薄膜稱為磁隧道結(jié)(MTJ)。值得注意的是：相比Al2O3，用MgO作絕緣層可以明顯提高磁電阻?？蛇_(dá)到百分之幾百甚至超過百分之一千。TMR效應(yīng)的物理原理：自旋相關(guān)隧穿隧穿電流 （近似）I 指數(shù)衰減部分狀態(tài)密度部分D與d分別代表多數(shù)自旋和少數(shù)自旋的狀態(tài)密度隧道磁電阻的計(jì)算Julliere公式其中P1，P2分別為兩鐵磁層的自旋極化率：定義：根據(jù)前面相關(guān)電流的定義，可以得到：基于SV(GMR)與MTJ(TMR)器件的應(yīng)用研究熱點(diǎn)自從GM

23、R和TMR被發(fā)現(xiàn)以來，很多公司都在致力于開發(fā)基于磁阻效應(yīng)的非揮發(fā)磁存儲(chǔ)器件。(1)、MRAM以MTJ為基本存儲(chǔ)單元，將其置于字線與位線交叉處。字線通以電流，其產(chǎn)生的磁場使MTJ自由層磁矩翻轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致電阻的急劇變化。將高、低電阻態(tài)作為0，1。本質(zhì)上還是通過磁場翻轉(zhuǎn)磁矩，實(shí)現(xiàn)信息讀寫。(2)、基于自旋轉(zhuǎn)移扭矩(STT)的磁電子學(xué)器件a. 基于STT的磁存儲(chǔ)器件，如STT-RAM基本存儲(chǔ)單元為SV或MTJ其中釘扎層起“過濾”作用，使得自旋無極化的電子穿過（或反射）釘扎層后產(chǎn)生自旋極化電流。當(dāng)自旋極化電子經(jīng)很薄的非磁層（金屬或絕緣體）穿過自由鐵磁層，其自旋角動(dòng)量的變化會(huì)轉(zhuǎn)移給自由層中磁矩，形成一個(gè)扭

24、矩使其翻轉(zhuǎn)。實(shí)現(xiàn)真正通過電流改變磁矩取向，實(shí)現(xiàn)信息的讀寫。b. 基于自旋扭矩振蕩(STNO)效應(yīng)的微波器件基本原理與STT-RAM類似，主要區(qū)別在于STNO需要施加垂直膜面的較強(qiáng)磁場(幾千 Oe)，使得自旋極化電子轉(zhuǎn)移給自由層磁矩的扭矩不至于大到使其磁矩翻轉(zhuǎn)，而是能使其阻尼和扭矩剛好抵消，從而維持進(jìn)動(dòng)。進(jìn)動(dòng)頻率：幾十GHz，微波頻段。微波功率：GMR：pWnW；TMR：mWSTNO也可以用于磁存儲(chǔ)領(lǐng)域，通過將其產(chǎn)生的微波作用于某些硬磁存儲(chǔ)單元，可以使其溫度升高而在外磁場作用下易于翻轉(zhuǎn)（微波輔助磁記錄）存在問題：帶寬過大(GHz)采用nano-contacts技術(shù)可有效減小帶寬至幾十MHz。(3). 自旋邏輯(Spin Logic)器件Post-CMOS/Beyond CMOS自旋與非門(Spin NAND gate)輸出的1和0分別代表SV或MTJ中自由層磁矩的兩種方向。自由層磁矩的翻轉(zhuǎn)通過調(diào)控A,B層電流方向的組合來實(shí)現(xiàn)。也有利用單疇顆粒之間偶極作用實(shí)現(xiàn)的與非門。(4) 展望基于STT的磁存儲(chǔ)器件的突出特點(diǎn)是利用電流翻轉(zhuǎn)磁矩。存在問題：依然存在