嵌入式STT-MRAM效應與流致反轉

最初的MRAM都是用微電磁線圈產生電磁場，使自由層的磁矩方向反轉來進行0、1資料的讀寫。這種複雜的結構大大地制約了MRAM存貯單元的微型化程式，因此當時 的存貯密度遠遠不及DRAM和SRAM。
 
後來科學家們想出了用自旋極化的電子流脈衝取代微電磁線圈的突破方案。穿過微磁粒的自旋極化電子流脈衝具有確定的磁場方向，它的磁矩在這裡被稱為“自旋轉移力矩”或簡稱“自旋轉矩”，即前面提到的STT。自旋極化電子流可以代替電磁線圈使微磁粒的磁場方向發生反轉，因此這種方式也被稱為流致反轉。
 
STT可視為相反於巨磁阻的效應，顯示的是電流透過多層膜結構後改變多層膜的磁化特性。當具高密度的自旋極化電流透過鐵磁金屬，由於極化電子角動量的轉移部份角動量至鐵磁金屬中的磁矩，因而產生力矩。對於鐵磁(F)/非鐵磁(N)/鐵磁(F)的多層膜系統，電流方向垂直膜面進行(CPP)。鐵磁層F1藉由形狀異向性或外加場來保持磁化方向固定，而鐵磁層F2則為自由層,兩鐵磁層間亦由非磁性金屬層隔開。
 
自旋極化電流透過此多層膜結構所轉移的力矩效應與電流流向有關:當電子流由固定層F1流向自由層F2時，力矩傾向於將F2中磁矩轉向於平行F1層之磁化方向;當電子流由自由層F2流向固定層F1時，力矩效應則傾向於使自由層的磁矩與固定層磁矩反向。因此在不需要外加翻轉磁場的情況下，可藉由極化電流的傳輸而使固定層與自由層鐵磁金屬同向或反向極化。
 
透過精細地控制自旋極化電子流脈衝的形狀和長度,在實驗室中用 原型晶片使其奈米磁粒的反轉時間達到了1ns接近了理論上的極限。採用100nm尺度下的磁矩閉合型奈米環狀磁性隧道結作為儲存單元，利用正負脈衝極化電流直接驅動位元層磁矩翻轉的工作原理，解決了常規MRAM相對功耗高、儲存密度低等瓶頸問題。該器件利用500～65Q A脈衝極化電流就可以直接驅動儲存單元位元層的磁矩翻轉進行寫操作﹐並有望進一步最佳化和降低寫操作電流，而讀操作只需要10～2Q A的脈衝電流。
 
目前STT效應的研究已發展成磁學界一個重要的研究熱點。其重要之處在於，這一效應不僅在理論上提出了自旋電流調控薄膜磁矩的物理新理念，而且它可以用於發展電流直接調控的STT- MRAM。STT - MRAM目前面臨的主要問題是翻轉電流過大。至於如何降低翻轉電流﹐還沒有切實可行的辦法，但許多研究者已經給出了建議和嘗試。