基于硬磁材料的自旋微波振蕩器制造技術

本發明專利技術涉及基于硬磁材料的自旋微波振蕩器。一種自旋微波振蕩器包括磁性多層膜結構，所述磁性多層膜結構在直流偏置下產生微波振蕩信號，所述磁性多層膜結構包括：參考層，其由鐵磁材料制成且具有被釘扎或被固定的磁化方向；進動層，其包括至少一個硬磁材料層，所述進動層在所述直流偏置下產生磁矩進動；以及間隔層，其設置在所述參考層和所述進動層之間，并且由導電層或絕緣層形成。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術總體上涉及自旋微波振蕩器，更特別地，涉及一種基于硬磁材料的自旋微波振蕩器。
技術介紹
自二十世紀九十年代以來，磁記錄技術伴隨著自旋電子學的發展而得到了長足的進步。尤其是巨磁電阻(GMR)效應和隧穿磁電阻(TMR)效應的發現，都極大地提高了磁記錄的密度。典型的GMR自旋閥結構和TMR隧道結結構都具有所謂的“三明治”結構，包括被兩個鐵磁層夾持的間隔層，其中一個鐵磁層是參考層，其具有固定的磁化方向，另一個鐵磁層是自由層，其磁化方向可以響應于外磁場而自由旋轉。對于GMR自旋閥結構而言，兩個鐵磁層之間的間隔層可以是非磁導電金屬；對于TMR隧道結結構而言，間隔層可以是非磁絕緣層。GMR自旋閥結構和TMR隧道結結構的電阻與兩個鐵磁層的磁化方向之間的角度θ的余弦(cos(θ))成比例。當兩個鐵磁層的磁化方向彼此平行時，電阻最小；當兩個鐵磁層的磁化方向彼此反平行時，電阻最大。因此，通過測量GMR自旋閥結構和TMR隧道結結構的電阻(或電壓)，可以得到自由層的磁化方向，進而得到外磁場的方向?？梢岳斫?，為了提高感測精度，要求自由層非常靈敏，能夠響應于小的外磁場而轉動其磁化方向，使其磁化方向與外磁場保持一致。因此，GMR自旋閥結構和TMR隧道結結構的自由層都必須由軟磁材料制成。軟磁材料具有小的磁晶各向異性和低的矯頑力，能夠響應于非常小的外磁場而自由改變其磁化方向。就此而言，本領域技術人員一般理解，自由層就是軟磁層。在對GMR效應和TMR效應進行研究的過程中，還發現了許多其他物理現象。例如在2003年，Kiselev等人發現當自旋極化的DC電流通過納米尺寸的巨磁電阻(GMR)多層膜時，會產生自旋轉移力矩(spin transfer torque，STT)，在合適的條件下會使自由層磁化發生磁阻振蕩，輸出高頻信號(參見Kiselev S I,Sankey J C,Kirvorotov I N,et al.Microwave oscillations of a
nanomagnet driven by a spin-polarized current.Nature,2003,425:380)。在該結構中，單個磁層扮演了類似納米馬達的作用：它將DC電流的能量轉變成高頻磁進動。測量的電信號要大于40倍的室溫熱噪聲，輸出功率范圍為25～100pW/mA，頻率最大可達到40GHz左右，而且微波頻率的位置能由電流和磁場共同或分別調節。隨后，Deac等人利用100nm左右的具有MgO勢壘的磁性隧道結產生了可以跟實際應用器件相比擬的微波信號輸出功率，約0.43μW(參見Deac M,Fukushima A,Kubota H,et al.Bias-driven high-power microwave emission from MgO-based tunnel magnetoresistance devices,Nature Physics,2008,4:803)。這種自旋微波振蕩器，也稱為自旋納米振蕩器(spin transfer nano-oscillator，STNO)，具有很多優點，例如結構簡單，體積小(是現有的晶體振蕩器的尺寸的五十分之一)、集成度高、頻率高、頻率調制范圍寬、穩定性好以及功耗低等，較現有的微波振蕩器諸如LC振蕩器和晶體振蕩器具有無法比擬的優勢，在微波振蕩器、信號發射源以及微波檢測器等器件中具有極大的應用潛力和前景，被認為是下一代振蕩器的候選者，因此得到了廣泛的研究。
技術實現思路
本專利技術一實施例提供一種自旋微波振蕩器，其包括磁性多層膜結構，所述磁性多層膜結構在直流偏置下產生微波振蕩信號，所述磁性多層膜結構包括：參考層，其由鐵磁材料制成且具有被釘扎或被固定的磁化方向；進動層，其包括至少一個硬磁材料層，所述進動層在所述直流偏置下產生磁矩進動；以及間隔層，其設置在所述參考層和所述進動層之間，并且由導電層或絕緣層形成。在一示例中，所述進動層包括彼此層疊的多個硬磁材料層。在一示例中，所述進動層還包括設置在所述至少一個硬磁材料層與所述間隔層之間的軟磁材料層。在一示例中，所述軟磁材料層包括CoFe、CoFeSi、CoFeNi、CoFeB、CoFeSiB、CoFeNiB、CoFeAl、CoFeSiAl、CoFeNiAl中的一種或多種。在一示例中，所述硬磁材料包括硬磁金屬或其合金、稀土硬磁材料、以及鐵氧體硬磁材料。在一示例中，所述硬磁金屬或其合金包括Dy、FePt、CoPt、CoCr、SmCo、
FeCr、CoCrPt、FeCrPt、FeCoCr、MnGa、MnCr、MnRuGa、TbDyFe和AlNiCo，所述稀土硬磁材料包括NbFeB、RCo5和R2Co17、R2Co17-xMx，其中R選自Ce、Gd、Ho和Y，M選自Ga、Al和Si，且0<x≤1，所述鐵氧體硬磁材料包括BaFeO和SrFeO。在一示例中，所述硬磁材料具有106erg/cm3以上的磁晶各向異性能。在一示例中，所述進動層的厚度為1-100nm之間。在一示例中，所述進動層的磁化方向與所述參考層的磁化方向具有非共線性。在一示例中，所述磁性多層膜結構的平面尺寸為500nm以下，所述直流偏置的電流密度為105A/cm2以上。本專利技術的自旋微波振蕩器能產生高達100GHz的微波振蕩信號，因此能應用于各種高頻電子設備中。附圖說明圖1示出根據本專利技術一實施例的自旋微波振蕩器的電路框圖。圖2示出根據本專利技術一實施例的磁性多層膜結構的結構圖。圖3示出利用根據本專利技術一實施例的自旋微波振蕩器產生的微波信號的頻域特性。圖4示出本專利技術的自旋微波振蕩器所使用的一種硬磁材料的鐵磁共振曲線。圖5示出根據本專利技術另一實施例的磁性多層膜結構的結構圖。圖6示出根據本專利技術另一實施例的磁性多層膜結構的結構圖。具體實施方式如前所述，在現有的自旋微波振蕩器中，均采用由軟磁材料制成的自由層，因為軟磁材料一般易于制備，并且具有較低的矯頑力。一般而言，利用軟磁自由層的自旋微波振蕩器可以產生目前常用的頻率范圍例如數GHz到數十GHz的微波信號。本專利技術人在研究中發現，硬磁材料也能產生高頻進動，可以用于自旋微波振蕩器。并且，由于硬磁材料比軟磁材料具有更高的磁晶各向異性和更大的矯頑力，因此能夠產生頻率更高的微波振蕩信號。圖1是根據本專利技術一實施例的自旋微波振蕩器100的示意性電路圖。如圖1所示，自旋微波振蕩器100可包括磁性多層膜結構110，直流偏置結構120以及放大器130。磁性多層膜結構110可以是根據本專利技術的用于產生微波振蕩信號的磁性多層膜結構，其具體結構將在下面更詳細地描述。直流偏置結構120可以是例如直流電流源，其將直流電流施加到磁性多層膜結構110上。自旋微波振蕩器100還可以包括電感器122，其可以連接在直流電流源120和磁性多層膜結構110之間以起到阻抗匹配的作用。在直流電流的激勵下，磁性多層膜結構110可以產生微波振蕩信號。由于磁性多層膜結構110產生的微波振蕩信號的輸出功率一般較低，例如在微瓦量級，自旋微波振蕩器100還可以包括放大器130以對所產生的微波振蕩信號進行放大。電容器132可以連接在磁性多層膜結構110和放大器130之間以濾除直流信號，而僅交變信號(即，微波本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種自旋微波振蕩器，包括磁性多層膜結構，所述磁性多層膜結構在直流偏置下產生微波振蕩信號，所述磁性多層膜結構包括：參考層，其由鐵磁材料制成且具有被釘扎或被固定的磁化方向；進動層，其包括至少一個硬磁材料層，所述進動層在所述直流偏置下產生磁矩進動；以及間隔層，其設置在所述參考層和所述進動層之間，并且由導電層或絕緣層形成。

【技術特征摘要】
1.一種自旋微波振蕩器，包括磁性多層膜結構，所述磁性多層膜結構在直流偏置下產生微波振蕩信號，所述磁性多層膜結構包括：參考層，其由鐵磁材料制成且具有被釘扎或被固定的磁化方向；進動層，其包括至少一個硬磁材料層，所述進動層在所述直流偏置下產生磁矩進動；以及間隔層，其設置在所述參考層和所述進動層之間，并且由導電層或絕緣層形成。2.如權利要求1所述的自旋微波振蕩器，其中，所述進動層包括彼此層疊的多個硬磁材料層。3.如權利要求1所述的自旋微波振蕩器，其中，所述進動層還包括設置在所述至少一個硬磁材料層與所述間隔層之間的軟磁材料層。4.如權利要求3所述的自旋微波振蕩器，其中，所述軟磁材料層包括CoFe、CoFeSi、CoFeNi、CoFeB、CoFeSiB、CoFeNiB、CoFeAl、CoFeSiAl、CoFeNiAl中的一種或多種。5.如權利要求1-4中的任一項所述的自旋微波振蕩器，其中，所述硬磁材料包括硬磁金屬或其合金、稀土硬磁材料、以及鐵氧體硬磁材料。6.如權利要求5所述的自旋...

【專利技術屬性】
技術研發人員：魏紅祥，豐家峰，韓秀峰，
申請(專利權)人：中國科學院物理研究所，
類型：發明
國別省市：北京;11