近年来,随着GMR效应的深入研究和广泛应用,极大地推进了基于GMR效应的磁存储器件MRAM（Magnetic Random Access Memory）的研究和开发。MRAM的基础架构是由图形化铁磁单元和可实现读/写操作的字位线结构组成。从读操作的角度来看,每个MRAM单元都应该具有稳定的存储状态,也就是稳定的剩磁态。另一方面,从写操作的角度来看,每个MRAM单元都应该具备稳定的写入场,同时具有明确的磁矩翻转行为。而MRAM单元的这些磁特性都与其几何形状密切相关,所以挑选合适的图形化铁磁单元、调控单元中磁矩翻转的过程以及理解调控机理都是极其有意义的。当前,国内外对MRAM图形化的研究主要集中在纳米方形、纳米圆盘、纳米环以及纳米缺口环上。这些图形化MRAM各有各的优点和缺点,举例来说纳米环是闭合畴没有漏磁,但是在写过程中磁矩的翻转路径不明确会导致数据输入失败。而纳米缺口环在纳米环的基础上引入对称破缺,因此有希望实现磁矩翻转路径的可调控。同时为了实现器件的高度集成化,需要在高鲁棒写操作的基础上降低写功耗,微波辅助写操作是值得考虑的技术路径。本论文详细列举并分析了学界关于MRAM图形化研究的进展,明确了纳米缺口环的研究意义,利用微磁学模拟软件建立了纳米缺口环MRAM的模型,研究了纳米缺口环在写操作过程中磁矩的动力学行为,最终实现了高鲁棒且低功耗的写操作。主要内容如下:1、为了提高写操作存储态切换概率,我们要在纳米缺口环中实现高鲁棒的写操作并且理解调控机理。有学者在纳米环上刻蚀了一个缺口引入对称破缺,可以实现磁矩翻转路径的调控,但是有文献报道,实验中纳米缺口环会出现存储态不能切换的现象。因此我们首先对缺口环传统的写操作方式做了大量仿真,发现在存储状态转换过程中,磁矩是以一大块一大块的区域集体翻转,并且这些区域关于缺口角平分线对称且是不连续的,给写操作过程带来了不确定性以及写功耗的增加,我们称之为区块式写操作技术。第二步,将缺口环相对外场旋转到一个特定的角度引入二次对称破缺（第一次破缺是在纳米环上打开缺口）,发现磁矩的翻转顺序发生了很大变化,翻转区域变小而且是连续的,实现了磁矩按照指定路径翻转的目标,这样的数据输入方式我们称之为序列式写操作。通过采用序列式写操作技术,我们将缺口环存储态切换概率提高到100%,实现了高鲁棒的数据输入。2、在实现高鲁棒写操作的基础上我们希望进一步降低写功耗。本文采取了微波辅助磁记录的技术路径,通过研究图形化MRAM的动态响应过程找到实现微波辅助写操作的特征频率。由于纳米缺口环独特的形状各向异性,导致环缺口处附近的磁矩方向发生扭曲,进而影响磁矩对脉冲激励信号的响应。和纳米环的磁谱研究对比后,我们发现纳米缺口环的涡旋态除了 17GHz处一致进动导致的主共振峰,在低频处还有一个的次共振峰。分析了缺口环在脉冲激励下的瞬时共振强度分布,我们确认次共振峰源于环缺口附近磁矩的边缘共振模式,并且发现不同的激励信号入射角和不同的缺口环几何尺寸都会影响边缘共振模式。基于对纳米缺口环动态响应的研究,我们使用涡旋态的两个共振频率来辅助写操作过程,发现不能实现有效的微波辅助功能。这是因为在序列式写操作过程中有个能量势垒,缺口环从饱和磁化的洋葱态自然弛豫后,受到该势垒的阻碍无法转变成涡旋态而是转变为临界态,临界态的共振频率才是实现纳米缺口环微波辅助写操作的特征频率。利用临界态的共振频率来辅助序列式写操作,可以显著降低纳米缺口环的写入场。3、在制备MRAM所需要的前级铁磁薄膜时,我们发现薄膜中会出现各种非预期的各向异性场,通过仿真计算证明这些非预期的各向异性场会严重影响纳米缺口环的写操作,因此有必要消除薄膜中非预期的各向异性场。在用磁控溅射工艺制备的Co膜中会有很明显的面内单轴各向异性场,通过仿真计算我们发现,10 Oe以上的单轴各向异性场就会导致缺口环存储状态切换准确率的降低。采用指定温度下的旋转溅射法,我们成功地降低了 Co膜的单轴各向异性场,基本实现前级铁磁薄膜的各向同性。同时,常用来制备MRAM的FeCoB薄膜,为了消除其内部的应力会进行高温退火处理。当退火温度高于特定温度时,会导致薄膜由非晶转为纳米晶,前级铁磁薄膜中会出现周期性波动的ripple场。通过仿真计算我们证明ripple场会影响磁矩的分布,进而导致缺口环MRAM的存储态不稳定,以及微波辅助功能的不稳定。通过一系列的工艺摸索,我们最终找到了合适的退火温度区间,在兼顾减小薄膜内应力的同时保持FeCoB薄膜的非晶状态。我们通过旋转纳米缺口环相对外磁场的角度引入了二次对称破缺,实现了磁矩翻转路径的可调控,将MRAM存储态切换概率提高到100%。获得了高鲁棒写操作的基础上,我们引入微波辅助技术,证明了临界态的共振频率才是纳米缺口环的特征频率,实现了写功耗的降低。同时,通过优化工艺去除了前级铁磁薄膜中干扰高鲁棒写操作的非预期各向异性场。最终,我们在纳米缺口环MRAM中获得了高鲁棒且低功耗的写操作。