CN101685901B - 自旋微波振荡器和自旋微波检测器 - Google Patents
自旋微波振荡器和自旋微波检测器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种自旋微波振荡器和一种自旋微波检测器。本发明的自旋微波振荡器是直接用直流电流控制的基于自旋角动量转移原理的微波振荡和输出，或者更可以利用直流电流和外加静磁场联合调控的微波振荡器，具有小型化，高的集成度，低功耗，高的频率可控可调谐性等优点；本发明的自旋微波检测器利用输入微波而产生直流电压直接来检测输入微波，具有无需混频而直接测量高频信号的优点。
Description
技术领域
本发明涉及微波振荡器和微波检测器领域，具体的说涉及基于闭合状磁性多层膜和含金属芯的闭合状磁性多层膜的自旋微波振荡器和自旋微波检测器。
背景技术
目前的市场上已经有很多商用的微波振荡器，但其都有一些不足之处。比如磁控管振荡器是应用比较早的，但是它体积过大、不易于集成、且频率低、功耗大，不能很好的用于未来通讯；LC压控振荡器的频率不高，几乎达不到吉赫兹，而且调频范围比较窄，集成度低，品质因素也低；晶体振荡器是的输出频率一般不超过200MHz，虽然频率稳定性比较好，但是调频比较困难。
而在微波检测器方面，目前同样存在着一些缺点，比如体积过大，功耗较高，可以检测的频率过低，超高频测量精度不高，对于高频信号不能直接测量必须通过混频把高频信号降到低频信号来测量等缺点。
发明内容
本发明的一个目的是克服上述现有微波振荡器的缺点，从而提供一种具有高输出频率且高调频能力的自旋微波振荡器。
本发明的另一个目的是克服上述现有微波检测器的缺点，从而提供一种无需混频而直接测量高频信号的自旋微波检测器。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
根据本发明的一个方面，提供一种自旋微波振荡器，包括：
闭合状磁性多层膜，用于产生交变信号；
直流偏置，其与所述闭合状磁性多层膜相连接，用于提供闭合状磁性多层膜工作所需的直流电流，并使所述交变信号通过；
微波电路，其与所述直流偏置相连接，用于放大、过滤交变信号并发射微波信号；
其中所述闭合状磁性多层膜的横截面为各处环宽相同的圆环状、椭圆环状或正多边形环状，横截面积为0.0008至34π0.39πμm2。
根据本发明的另一个方面，提供一种自旋微波检测器，包括：
闭合状磁性多层膜，用于接收待测微波信号并产生直流输出信号；
直流偏置，与所述闭合状磁性多层膜相连接，用以使所述待测微波信号和所述直流输出信号通过；
电压测量元件，其与所述直流偏置相连接，用于检测所述直流输出信号；
微波输入电路，其与所述直流偏置相连接，用于提供待测微波信号；
其中所述闭合状磁性多层膜的横截面为各处环宽相同的圆环状、椭圆环状或正多边形环状，横截面积为0.0008至0.39πμm2。
在上述技术方案中，所述闭合状磁性多层膜的横截面呈椭圆环状，椭圆内环的短轴为20～400nm，内环短轴与长轴的比值为1:1～1:4，椭圆环宽为20～300nm；
在上述技术方案中，所述闭合状磁性多层膜为无钉扎型单势垒闭合状磁性多层膜，其包括常规的各层：一衬底及其上面的下部缓冲导电层，在所述下部缓冲导电层上依次沉积的硬磁层、中间层、软磁层、覆盖层及导电层；所述衬底的材料包括SrTiO3、LaAlO3、Al2O3-TiC类陶瓷、Al2O3-WC类陶瓷或Al2O3-SiC类陶瓷；所述中间层的材料包括AlN；
在上述技术方案中，所述闭合状磁性多层膜为无钉扎型双势垒闭合状磁性多层膜，其包括常规的各层：一衬底及其上的下部缓冲导电层，在所述的下部缓冲导电层上依次沉积的第一硬磁性层、第一中间层、自由软磁层、第二中间层、第二硬磁性层、覆盖层及导电层；所述衬底的材料包括SrTiO3、LaAlO3、Al2O3-TiC类陶瓷、Al2O3-WC类陶瓷或Al2O3-SiC类陶瓷；所述中间层的材料包括AlN；
在上述技术方案中，所述闭合状磁性多层膜为钉扎型单势垒闭合状磁性多层膜，其包括常规的各层：一衬底及其上的下部缓冲导电层，在所述的下部缓冲导电层上依次沉积的反铁磁钉扎层、被钉扎磁性层、中间层、自由软磁层、覆盖层及导电层；所述衬底的材料包括SrTiO3、LaAlO3、Al2O3-TiC类陶瓷、Al2O3-WC类陶瓷或Al2O3-SiC类陶瓷；所述中间层的材料包括AlN。
在上述技术方案中，所述闭合状磁性多层膜为钉扎型双势垒闭合状磁性多层膜，其包括常规的各层：一衬底及其上的下部缓冲导电层，在所述的下部缓冲导电层上依次沉积的第一反铁磁钉扎层、第一被钉扎磁性层、第一中间层、自由软磁层、第二中间层、第二被钉扎磁性层、第二反铁磁钉扎层及覆盖层及导电层；所述衬底的材料包括SrTiO3、LaAlO3、Al2O3-TiC类陶瓷、Al2O3-WC类陶瓷或Al2O3-SiC类陶瓷；所述中间层的材料包括AlN。
根据本发明的又一个方面，提供一种自旋微波振荡器，包括：
含金属芯的闭合状磁性多层膜，用于产生交变信号；
直流偏置，其与所述含金属芯的闭合状磁性多层膜相连接，用于提供含金属芯的闭合状磁性多层膜工作所需的直流电流，并使所述交变信号通过；
微波电路，其与所述直流偏置相连接，用于放大、过滤交变信号并发射微波信号；
外加电路，其与所述金属芯相连接，用于提供直流电流；
其中所述含金属芯的闭合状磁性多层膜的横截面为各处环宽相同的圆环状、椭圆环状或正多边形环状，横截面积为0.0016至0.39πμm2。
根据本发明的再一个方面，提供一种自旋微波检测器，包括：
含金属芯的闭合状磁性多层膜，用于接收待测微波信号并产生直流输出信号；
直流偏置，与所述含金属芯的闭合状磁性多层膜相连接，用以使所述待测微波信号和所述直流输出信号通过；
电压测量元件，其与所述直流偏置相连接，用于检测所述直流输出信号；
微波输入电路，其与所述直流偏置相连接，用于提供待测微波信号；
外加电路，其与所述金属芯相连接，用于提供直流电流；
其中所述含金属芯的闭合状磁性多层膜的横截面为各处环宽相同的圆环状、椭圆环状或正多边形环状，横截面积为0.0016至0.39πμm2。
在上述技术方案中，所述含金属芯的闭合状磁性多层膜的横截面呈椭圆环状，椭圆内环的短轴为60～400nm，内环的短轴与长轴的比值为1:1～1:4，椭圆环宽为20～300nm；所述金属芯的横截面为椭圆形，椭圆形的短轴为20～200nm，其形状与椭圆内环形状相同。
在上述技术方案中，所述含金属芯的闭合状磁性多层膜为含金属芯的无钉扎型单势垒闭合状磁性多层膜，其包括常规的各层：一衬底及其上面的下部缓冲导电层，在所述下部缓冲导电层上依次沉积的硬磁层、中间层、软磁层、覆盖层及导电层；所述衬底的材料包括SrTiO3、LaAlO3、Al2O3-TiC类陶瓷、Al2O3-WC类陶瓷或Al2O3-SiC类陶瓷；所述中间层的材料包括AlN；所述金属芯的材料包括Ru。
在上述技术方案中，所述含金属芯的闭合状磁性多层膜为含金属芯的无钉扎型双势垒闭合状磁性多层膜，其包括常规的各层：一衬底及其上的下部缓冲导电层，在所述的下部缓冲导电层上依次沉积的第一硬磁性层、第一中间层、自由软磁层、第二中间层、第二硬磁性层、覆盖层及导电层；所述衬底的材料包括SrTiO3、LaAlO3、Al2O3-TiC类陶瓷、Al2O3-WC类陶瓷或Al2O3-SiC类陶瓷；所述中间层的材料包括AlN；所述金属芯的材料包括Ru。
在上述技术方案中，所述含金属芯的闭合状磁性多层膜为含金属芯的钉扎型单势垒闭合状磁性多层膜，其包括常规的各层：一衬底及其上的下部缓冲导电层，在所述的下部缓冲导电层上依次沉积的反铁磁钉扎层、被钉扎磁性层、中间层、自由软磁层、覆盖层及导电层；所述衬底的材料包括SrTiO3、LaAlO3、Al2O3-TiC类陶瓷、Al2O3-WC类陶瓷或Al2O3-SiC类陶瓷；所述中间层的材料包括AlN；所述金属芯的材料包括Ru。
在上述技术方案中，所述含金属芯的闭合状磁性多层膜为含金属芯的钉扎型双势垒闭合状磁性多层膜，其包括常规的各层：一衬底及其上的下部缓冲导电层，在所述的下部缓冲导电层上依次沉积的第一反铁磁钉扎层、第一被钉扎磁性层、第一中间层、自由软磁层、第二中间层、第二被钉扎磁性层、第二反铁磁钉扎层及覆盖层及导电层；所述衬底的材料包括SrTiO3、LaAlO3、Al2O3-TiC类陶瓷、Al2O3-WC类陶瓷或Al2O3-SiC类陶瓷；所述中间层的材料包括AlN；所述金属芯的材料包括Ru。
根据本发明的又一个方面，振荡器或检测器还包括外加磁场，所述外加磁场的磁感应线通过磁性多层膜的各层。
和现有技术相比，本发明的微波振荡器具有小型化(振荡单元达到几十到几百纳米量级)、高集成度、低功耗、高工作频率(可以达到GHz到几十GHz)、高品质因素等特点，并且具有抗辐射性、较高频率可控可调谐性、能稳定工作于室温环境的优点。本发明的微波检测器同样具有小型化(检测单元达到几十到几百纳米量级)、高集成度、低功耗、抗辐射性、可较精确灵敏检测微波信号特别是超高频微波信号的优点，尤其可以在不需要复杂的混频器等器件的条件下直接测量超高频微波信号，大大简化了器件结构及工艺，进一步提高了抗辐射性。
附图说明
以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：
图1-1a和图1-1b分别是无钉扎型单势垒磁性多层膜的圆环状及椭圆环状结构的顶视图；
图1-2是根据本发明的基于无钉扎型单势垒圆环状磁性多层膜结构的自旋微波振荡器的示意图。其中1-缓冲导电层；2-硬磁层；3-中间层；4-软磁层；5-覆盖层；6-导电层；其余部分均为绝缘介质所填埋；
图2-1a和图2-1b分别是含金属芯的无钉扎型单势垒圆环磁性多层膜圆环状及椭圆环状结构的顶视图；
图2-2是根据本发明的基于含金属芯的无钉扎型单势垒圆环状磁性多层膜结构的自旋微波振荡器的示意图。其中1-缓冲导电层；2-硬磁层；3-中间层；4-软磁层；5-覆盖层；6-导电层；7-金属芯；其余部分均为绝缘介质所填埋；
图3是根据本发明的基于钉扎型单势垒圆环状的磁性多层膜结构的自旋微波振荡器的示意图。其中1-缓冲导电层；2-反铁磁钉扎层；3-被钉扎磁性层；4-中间层；5-自由软磁层；6-覆盖层；7-导电层；其余部分均为绝缘介质所填埋；
图4是根据本发明的基于含金属芯的钉扎型单势垒圆环状磁性多层膜结构的自旋微波振荡器的示意图。其中1-缓冲导电层；2-反铁磁钉扎层；3-被钉扎磁性层；4-中间层；5-自由软磁层；6-覆盖层；7-导电层；8-金属芯；其余部分均为绝缘介质所填埋；
图5是根据本发明的基于无钉扎型双势垒圆环状的磁性多层膜结构的自旋微波振荡器的示意图。其中1-缓冲导电层；2-第一硬磁层；3-第一中间层；4-自由软磁层；5-第二中间层；6-第二硬磁层；7-覆盖层；8-导电层；其余部分均为绝缘介质所填埋；
图6是根据本发明的基于钉扎型双势垒圆环状的磁性多层膜结构的自旋微波振荡器的示意图。其中1-缓冲导电层；2-第一反铁磁钉扎层；3-第一被钉扎磁性层；4-第一中间层；5-自由软磁层；6-第二中间层；7-第二被钉扎磁性层；8-第二反铁磁钉扎层；9-覆盖层；10-导电层；其余部分均为绝缘介质所填埋；
图7是根据本发明的基于钉扎型单势垒圆环状的磁性多层膜结构的自旋微波检测器的示意图。其中1-缓冲导电层；2-反铁磁钉扎层；3-被钉扎磁性层；4-中间层；5-自由软磁层；6-覆盖层；7-导电层；其余部分均为绝缘介质所填埋。
具体实施方式
由于本发明的自旋微波振荡器和自旋微波检测器均具有磁性多层膜，而在先专利申请CN101000821、CN101000822中对磁性多层膜各层的材料、厚度已做过详尽描述，因此CN101000821、CN101000822在此全文引入作为本申请的一部分。另外需要说明的是，本申请中的“闭合状磁性多层膜”包括无钉扎型单势垒闭合状磁性多层膜、无钉扎型双势垒闭合状磁性多层膜、钉扎型单势垒闭合状磁性多层膜和钉扎型双势垒闭合状磁性多层膜。
众所周知，巨磁电阻效应(Giant Magneto Resistance，GMR)和磁性隧道结一直是科研人员的研究热点，随着科学技术的不断提高，在1996年，Slonczewski[J.Magn.Magn.Mater.159，L1--L7(1996)]和Berger[Phys.Rev.B54，9353--9358(1996)]等人曾经预言了一种存在于多层纳米磁性结构中的新的物理机制—自旋转移力矩(Spintransfer Torque，STT)效应(或称为自旋角动量转移效应)，该物理机制可以利用自旋极化电流自身实现对单元磁化状态的操控。随后，Kiselev[Nature425，380--383(2003)]和Rippard等人[Phys.Rev.Lett.92，027201(2004)]在其各自所使用的磁性多层膜结构得到了微波振荡的结果，进而开辟了纳米磁性多层结构在射频微波源、磁记录、可编程逻辑器件等方面的应用前景。本发明正是基于上述STT物理机制以及磁性多层膜结构提出一种自旋微波振荡器和一种自旋微波检测器。
[实施例1]：
图1-2为基于无钉扎型单势垒圆环状磁性多层膜结构的自旋微波振荡器的示意图。从图1-2中可以看出，该自旋微波振荡器包括无钉扎型单势垒圆环状磁性多层膜(如图1-1a)，直流偏置(bias T)以及微波电路。其中直流偏置包括一个电容和一个电感，用于提供无钉扎型单势垒圆环状磁性多层膜工作所需的直流电流，并使所述交变信号通过；微波电路包括放大电路、滤波电路及微波天线(未示出)等用于放大、过滤交变信号并发射微波信号。
我们利用高真空磁控溅射设备在一定生长条件下，在经过常规方法清洗的1mm厚的SrTiO3衬底上依次沉积厚度为50nm的下部缓冲导电层Au，厚度为20nm的硬磁层(HFM)Co，厚度为5nm的中间层(I1)AlN，厚度为5nm的软磁层(SFM)Ni81Fe19和厚度为4nm的覆盖层Ru。其中在沉积硬磁层和软磁层时，施加50Oe平面诱导磁场。然后采用现有技术中的微加工技术，将沉积好的磁性多层膜制成圆环状几何结构，环的内径为20nm，环宽为20nm，环的外径为60nm，横截面积为0.0008πμm2。随后在此刻蚀成形的环状磁性多层膜上沉积一层80nm厚的SiO2绝缘层，将环状多层膜进行掩埋，采用微加工技术进行刻蚀，使得绝缘层下掩埋的环状磁性多层膜暴露。最后沉积一层厚度为100nm的导电层Au，再利用微加工方法制作电极，这样即得到无钉扎型单势垒圆环状磁性多层膜，然后再连接导线到外接微波电路制成自旋微波振荡器。对该振荡器进行测试，会发现当驱动电流从2.0毫安调节到7.6毫安时，能够获得大约5GHz到16GHz的高频信号。这说明本发明的振荡器能够以较小范围的驱动电流就可以得到较高频率的微波发射，从而实现低功耗高频的目的。同样，在具有横截面积为0.0008至0.39πμm2之间且环宽相等的无钉扎型单势垒圆环状磁性多层膜的其他实施例中也可以得到GHz到几十GHz的高频信号。值得一提的是在本专利中的闭合状磁性多层膜其磁性单元中，每一层铁磁性薄膜的磁矩或磁通量完全可以自发形成顺时针或逆时针的闭合状态、或洋葱状亦即孪生状(OnionState Magnetization or twins domain structures)的闭合状态、或可以使上下磁性层的磁矩形成垂直于膜面并平行于环状轴线的垂直各向异性排列状态、还或者在上下磁性层中，任一层的磁矩平行于膜面，另一层的磁矩垂直于膜面而使上下磁性层的磁矩之间形成稳定的90度或接近于90度的排列状态。上述磁性层磁矩的排布方式和上下磁性层磁矩间的夹角，均有利于产生较高的微波频率和较大的调频范围。
具体的说，该自旋微波振荡器的工作原理是：直流偏置向圆环状磁性多层膜提供直流电流，当毫安级的电流垂直膜面通过器件时，磁化方向固定的硬磁层的传导电子或界面的反射电子会产生极化电流，该极化电流把自旋转移给薄的软磁层，结果使自由软磁层的磁矩产生进动，使相对于下面硬磁层的磁化方向所形成的夹角不断变化，进而根据磁致电阻效应产生时变的电阻，并产生时变电压，形成交变信号，该交变信号通过直流偏置后，经过放大器电路进行信号放大，然后经过一定的滤波电路再通过天线向外发射微波信号。根据实验证明在小于磁性反转阈值电流的前提下，振荡器的微波频率和功率是依赖于直流电流密度大小的，所以本发明的这种直接用直流电流驱动的机制本身能起到调频作用。
为了达到更好、更大范围的调谐微波的目的，可选的，上述自旋微波器还包括外加磁场，该外加磁场的磁感应线应通过闭合状磁性多层膜的各层。在实验方面，如果对本实施例的磁性多层膜施加从0到10kOe的外加磁场，而且对于每一给定的外加磁场值，对外加静磁场方向与磁性层法线的夹角进行从0度到90度的改变，这样，在外加静磁场的调节下，微波振荡器的频率可以由原来的5GHz到16GHz的频率范围增加到大约5GHz到38GHz的更宽频的范围，频谱宽度可以达到10MHz，品质因数可以达到1000以上。因此，采用这种在自由磁性层面内或面外与磁性层法线成任意角度的外加磁场，在改变电流密度大小的基础上结合改变静磁场的大小和方向来一同调节产生微波的频率和功率，能够实现对振荡器更方便、更精确、更大波段范围和功率范围的调频。因此，外加磁场可以与任意下述的自旋微波振荡器或检测器实施例组合使用。
对于本领域的技术人员来说应该理解，本发明采用的圆环状磁性多层膜和直流偏置仅为示例性的，其他横截面积在0.0008至0.39πμm2之间且环宽相同(内环和外环之间的距离处处相等)的圆环状、椭圆环状、矩形环状、正六边形环状、正八边形环状、正十二边形环状等正多边形环状的磁性多层膜以及满足上述功能的其他直流偏置均可以在本实施例以及下述的不含金属芯的实施例中使用。另外，除了在先申请中所公开的无钉扎型单势垒磁性多层膜各层的材料外，本发明的衬底还包括具有优良热传导性、高强度、高韧性，且适于精密加工的SrTiO3、LaAlO3、Al2O3-TiC类陶瓷、Al2O3-WC类陶瓷或Al2O3-SiC类陶瓷，以及SrTiO3、LaAlO3，因为当制备以钙钛矿结构磁性材料作为磁性层的时候，这种衬底能很好的与磁性层晶格匹配，有利于磁性层形成优良的晶格结构；其中中间层的材料还包括AlN。类似的，在以下所有实施例中均可以采用上述材料。
[实施例2～4]：
将实施例2～4各自的闭合状磁性多层膜按照实施例1的方法得到自旋微波振荡器，其工作原理同实施例1中所述。实施例2～4所采用的闭合状磁性多层膜列于表1中。
表1 实施例2-4中所采用的闭合状磁性多层膜
| 实施例 | 参考图号 | 闭合状磁性多层膜 |
| 2 | 图3 | 钉扎型单势垒圆环状的磁性多层膜 |
| 3 | 图5 | 无钉扎型双势垒圆环状的磁性多层膜 |
| 4 | 图6 | 钉扎型双势垒圆环状的磁性多层膜 |
[实施例5]：
图2-2为基于含金属芯的无钉扎型单势垒圆环状磁性多层膜结构的自旋微波振荡器的示意图。该自旋微波振荡器包括含金属芯的无钉扎型单势垒圆环状磁性多层膜，直流偏置，外加电路dc2以及微波电路，其中金属芯位于圆环状磁性多层膜的几何中心位置(如图2-1a)。应注意的是，其横截面的形状与磁性多层膜的形状相匹配，即若磁性多层膜图型化后的形状为椭圆环状则金属芯亦为椭圆形(如图2-1b)
我们利用高真空磁控溅射设备在一定的生长条件下，在经过常规方法清洗的1mm厚的LaAlO3衬底上依次沉积厚度为30nm的下部缓冲导电层Ru，厚度为3nm的硬磁层(HFM)Co，厚度为1nm的中间层(I1)Cu，厚度为1nm的软磁层(SFM)Co和厚度为4nm的覆盖层Ru。其中在沉积硬磁层和软磁层时，要加上诱导磁场50Oe。然后采用现有技术中的微加工技术，将沉积好的磁性多层膜制成圆环状几何结构，环的内径为60nm，环的宽度为20nm，外径为100nm，横截面积为0.0016πμm2。随后在此刻蚀成形的圆环状磁性多层膜上，沉积一层80nm厚的SiO2绝缘层，将圆环状多层膜进行掩埋。采用微加工技术对SiO2绝缘层进行刻蚀，形成直径20nm的柱状孔洞，之后利用聚焦离子束辅助沉积方法在孔洞位置沉积金属材料Ru，形成一个直径为20nm的Ru金属芯。然后采用微加工技术再进行刻蚀，使得绝缘层下掩埋的圆环状磁性多层膜暴露。最后沉积一层厚度为80nm的导电层Au，用微加工工艺加工出电极，这样即得到无钉扎型单势垒圆环状磁性多层膜，然后再连接导线到外接微波电路制成自旋微波振荡器。
从实验结果来看，通过调节金属芯中的直流产生的环状磁场，该振荡器能够得到0.2GHz—30GHz的输出频率，在外加静磁场的情况下，还能获得频率为0.2GHz—42GHz的更大范围，其频谱宽度达到10MHz，品质因数可以达到1000以上。类似的，在对具有横截面积在0.0016至0.39πμm2之间的闭合状磁性多层膜的振荡器进行测试时，同样得到大约0.2GHz—30GHz输出频率。
从原理上来讲，如果通过改变诱导磁场在生长和微加工步骤中的顺序或环宽，可以使上下磁性层磁矩同时垂直于膜面，或者一层的磁矩平行于膜面，而另一层的磁矩垂直于膜面，进而使上下磁性层的磁矩之间形成稳定的90度或接近于90度的排列。针对上面这两类情况，含金属芯的闭合状磁性多层膜结构能产生垂直或平行于自由磁性层磁矩的磁场，进而多角度的对微波产生进行调控。另外，这种含金属芯的结构可以不用在器件之外另加静磁场(在常规静磁场下，每个振荡单元所受到的磁场大小和方向是几乎相同的)而直接利用电路对每个振荡单元产生的磁场进行控制，进而能更自由、更方便的对整个振荡器甚至对每个单元进行控制。此外，由金属芯产生的这种环状外加磁场还容易使磁性多层膜产生vortex态，这也使得该发明的振荡器的频率范围得到进一步扩大，为将来的更广泛的应用提供了条件。
对于本领域的技术人员来说应该理解，本发明采用的圆环状磁性多层膜仅为示例性的，其他横截面积在0.0016至0.39πμm2之间且环宽相同(内环和外环之间的距离处处相等)的椭圆环状、矩形环状、三角形环状、五边形环状等具有闭合状环形的磁性多层膜均可以在本实施例以及下述的含金属芯的实施例中使用。在本实施例以及包含金属芯的实施例中，所述金属芯的材料还包括Ru。
[实施例6～8]：
将实施例6～8各自的闭合状磁性多层膜按照实施例5的方法得到自旋微波振荡器，其工作原理同实施例5中所述。实施例6～8所采用的闭合状磁性多层膜列于表2中。
表2 实施例6～8所采用的闭合状磁性多层膜
| 实施例 | 参考图号 | 闭合状磁性多层膜 |
| 6 | 图4 | 含金属芯的钉扎型单势垒圆环状磁性多层膜 |
| 7 | 无附图 | 含金属芯的无钉扎型双势垒圆环状的磁性多层膜 |
| 8 | 无附图 | 含金属芯的钉扎型双势垒圆环状的磁性多层膜 |
[实施例9]：
图7为基于钉扎型单势垒椭圆环状的磁性多层膜结构的自旋微波检测器的示意图。该自旋微波检测器包括钉扎型单势垒椭圆环状磁性多层膜，用于接收待测微波信号并产生直流输出信号；直流偏置，与所述钉扎型单势垒椭圆环状磁性多层膜相连接，用以使所述待测微波信号和所述直流输出信号通过，所述直流偏置包括电感和电容；电压测量元件，其与所述直流偏置电感端相连接，用于检测所述直流输出信号；微波输入电路，其与所述直流偏置电容端相连接，用于提供待测微波信号。
我们利用高真空磁控溅射设备在一定生长条件下，在经过常规方法清洗的0.5mm厚的Si/SiO2衬底上依次沉积厚度为50nm的下部缓冲导电层Ta，厚度为10nm的反铁磁钉扎层(AFM)IrMn，厚度为5nm的被钉扎磁性层(FM1)CoFeB；然后沉积1nm的MgO绝缘层作为中间层(I2)；在该中间层上依次沉积厚度为5nm的自由软磁层(FM2)CoFeB和厚度为5nm的覆盖层Ta。其中在沉积硬磁层和软磁层时，施加150Oe的平面诱导磁场。然后采用现有技术中的微加工技术，将沉积好的磁性多层膜制成椭圆环状几何结构，椭圆环的内环短轴为400nm，内环长轴为1.6μm，环宽为300nm，椭圆环的外环短轴为1μm，外环长轴为2.2μm，椭圆环的横截面积为0.39πμm2。然后在此刻蚀成形的环状磁性多层膜上经过实施例1相同的方法沉积一层厚度为100nm的导电层Cu，再利用微加工方法制作电极，这样即得到钉扎型单势垒椭圆环状磁性多层膜结构，然后再连接到可以同时通过待测微波信号及直流输出信号的Bias T，并连接电压测量元件及微波输入电路形成自旋微波检测器。
该自旋微波检测器的工作原理是：微波输入电路通过Bias T向闭合状磁性多层膜提供待测微波信号，该射频电流垂直膜面通过闭合状磁性多层膜，基于自旋转矩效应，当射频电流的频率和自由磁性层磁矩进动频率相同时(即达到共振频率)，输入的射频电流和变化的磁致电阻共同作用会输出一个直流电压，该直流电压通过Bias T后可被电压测量元件检测到，此时输出的直流电压时的交流电流的频率就是待测的微波频率。本发明的自旋微波检测器可以直接检测所输入的超高频微波，从而克服了需要外加一些额外电路(包括混频器和本征频率产生器等)将超高频降频然后才能检测的缺点。这样可以简化检测器的结构和制造工艺，而且这个共振频率可以通过外加磁场进行调节，这样就可以不需要做硬件上的改变很方便的改变器件的工作频段和性能。
[实施例10～12]：
将实施例10～12各自的闭合状磁性多层膜按照实施例9的方法得到自旋微波振荡器，其工作原理同实施例9中所述。实施例10～12所采用的闭合状磁性多层膜列于表3中。
表3 实施例10～12所采用的闭合状磁性多层膜
| 实施例 | 闭合状磁性多层膜 |
| 10 | 无钉扎型单势垒椭圆环状磁性多层膜 |
| 11 | 无钉扎型双势垒椭圆环状的磁性多层膜 |
| 12 | 钉扎型双势垒椭圆环状的磁性多层膜 |
[实施例13]：
本实施例为基于含金属芯的钉扎型单势垒椭圆环状的磁性多层膜结构的自旋微波检测器。
该自旋微波检测器包括含金属芯的钉扎型单势垒椭圆环状磁性多层膜，直流偏置，电压测量元件，微波输入电路和外加电路。与实施例9相比，该自旋微波检测器的钉扎型单势垒椭圆环状磁性多层膜中多了一个金属芯，因此需要多加入一个外加电路，使其与所述金属芯相连接，用于提供直流电流，其他部件及其连接方式均不发生改变。如实施例5中对含金属芯的闭合状磁性多层膜作用的描述，该自旋微波检测器同样使微波的调谐能力增强。
[实施例14～16]：
将实施例14～16各自的闭合状磁性多层膜按照实施例13的方法得到自旋微波振荡器，其工作原理同实施例13的自旋微波检测器。实施例14～16所采用的闭合状磁性多层膜列于表4中。
表4 实施例14～16所采用的闭合状磁性多层膜
| 实施例 | 闭合状磁性多层膜 |
| 14 | 含金属芯的无钉扎型单势垒椭圆环状的磁性多层膜 |
| 15 | 含金属芯的无钉扎型双势垒椭圆环状的磁性多层膜 |
| 16 | 含金属芯的钉扎型双势垒椭圆环状的磁性多层膜 |
总的来说，本发明提供了基于STT机制以及闭合状磁性多层膜(包括含有金属芯的)的自旋微波振荡器和自旋微波检测器。不同于以前微波振荡器所采用的磁场和电荷的特性或者是宏观的机械运动，本发明采用直流电流控制微波的振荡和输出。这意味着不需要外磁场而直接使用直流电流来控制纳米磁体中的电磁运动的梦想已经实现，成为几乎是无所不在的晶体振荡器的一种替代方案。此外，由于自旋状态能在高速状态下进行转换，一个自旋振荡器可以轻而易举的产生吉赫兹级的极高频率，这种频率适用于3G通讯和无线网络收发器，而且该新型振荡器的宽度可以只有100nm，比一个晶体振荡器要小数千倍，为实际应用提供了有利条件。
为了得到强的输出信号，还可以把本发明的单元排成阵列，利用相锁原理在微米尺度上的振荡器阵列在室温下实现微瓦数量级的输出。由于闭合状磁性多层膜结构能提高磁性多层膜的性能，使其在保持磁性多层膜原有特征和性能的情况下，还具有无退磁场和最小磁各向异性的有点，给集成大规模应用带来了方便，并有利于器件工作性能的稳定和性能的提高。
尽管参照上述的实施例已对本发明作出具体描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，应该理解可以基于本发明公开的内容进行修改或改进，并且这些修改和改进都在本发明的精神以及范围之内。
Claims (16)
1.一种自旋微波振荡器，包括：
闭合状磁性多层膜，用于产生交变信号；
直流偏置，其与所述闭合状磁性多层膜相连接，用于提供闭合状磁性多层膜工作所需的直流电流，并使所述交变信号通过；
微波电路，其与所述直流偏置相连接，用于放大、过滤交变信号并发射微波信号；
其中所述闭合状磁性多层膜的横截面为各处环宽相同的圆环状、椭圆环状或正多边形环状，横截面积为0.0008至0.39πμm2，
所述闭合状磁性多层膜的磁性单元中，在上下磁性层中，任一层的磁矩平行于膜面，另一层的磁矩垂直或接近垂直于膜面而使上下磁性层的磁矩之间形成稳定的90度或接近于90度的排列状态。
2.一种自旋微波检测器，包括：
闭合状磁性多层膜，用于接收待测微波信号并产生直流输出信号；
直流偏置，与所述闭合状磁性多层膜相连接，用以使所述待测微波信号和所述直流输出信号通过；
电压测量元件，其与所述直流偏置相连接，用于检测所述直流输出信号；
微波输入电路，其与所述直流偏置相连接，用于提供待测微波信号；
其中所述闭合状磁性多层膜的横截面为各处环宽相同的圆环状、椭圆环状或正多边形环状，横截面积为0.0008至0.39πμm2，
所述闭合状磁性多层膜的磁性单元中，在上下磁性层中，任一层的磁矩平行于膜面，另一层的磁矩垂直或接近垂直于膜面而使上下磁性层的磁矩之间形成稳定的90度或接近于90度的排列状态。
3.如权利要求1所述的振荡器或如权利要求2所述的检测器，其中所述闭合状磁性多层膜的横截面呈椭圆环状，椭圆内环的短轴为20～400nm，内环短轴与长轴的比值为1∶1～1∶4，椭圆环宽为20～300nm。
4.如权利要求1所述的振荡器或如权利要求2所述的检测器，其中所述闭合状磁性多层膜为无钉扎型单势垒闭合状磁性多层膜，其包括常规的各层：一衬底及其上面的下部缓冲导电层，在所述下部缓冲导电层上依次沉积的硬磁层、中间层、软磁层、覆盖层及导电层；所述衬底的材料包括SrTiO3、LaAlO3、Al2O3-TiC类陶瓷、Al2O3-WC类陶瓷或Al2O3-SiC类陶瓷；所述中间层的材料包括AlN。
5.如权利要求1所述的振荡器或如权利要求2所述的检测器，其中所述闭合状磁性多层膜为无钉扎型双势垒闭合状磁性多层膜，其包括常规的各层：一衬底及其上的下部缓冲导电层，在所述的下部缓冲导电层上依次沉积的第一硬磁性层、第一中间层、自由软磁层、第二中间层、第二硬磁性层、覆盖层及导电层；所述衬底的材料包括SrTiO3、LaAlO3、Al2O3-TiC类陶瓷、Al2O3-WC类陶瓷或Al2O3-SiC类陶瓷；所述中间层的材料包括AlN。
6.如权利要求1所述的振荡器或如权利要求2所述的检测器，其中所述闭合状磁性多层膜为钉扎型单势垒闭合状磁性多层膜，其包括常规的各层：一衬底及其上的下部缓冲导电层，在所述的下部缓冲导电层上依次沉积的反铁磁钉扎层、被钉扎磁性层、中间层、自由软磁层、覆盖层及导电层；所述衬底的材料包括SrTiO3、LaAlO3、Al2O3-TiC类陶瓷、Al2O3-WC类陶瓷或Al2O3-SiC类陶瓷；所述中间层的材料包括AlN。
7.如权利要求1所述的振荡器或如权利要求2所述的检测器，其中所述闭合状磁性多层膜为钉扎型双势垒闭合状磁性多层膜，其包括常规的各层：一衬底及其上的下部缓冲导电层，在所述的下部缓冲导电层上依次沉积的第一反铁磁钉扎层、第一被钉扎磁性层、第一中间层、自由软磁层、第二中间层、第二被钉扎磁性层、第二反铁磁钉扎层及覆盖层及导电层；所述衬底的材料包括SrTiO3、LaAlO3、Al2O3-TiC类陶瓷、Al2O3-WC类陶瓷或Al2O3-SiC类陶瓷；所述中间层的材料包括AlN。
8.一种自旋微波振荡器，包括：
含金属芯的闭合状磁性多层膜，用于产生交变信号；
直流偏置，其与所述含金属芯的闭合状磁性多层膜相连接，用于提供含金属芯的闭合状磁性多层膜工作所需的直流电流，并使所述交变信号通过；
微波电路，其与所述直流偏置相连接，用于放大、过滤交变信号并发射微波信号；
外加电路，其与所述金属芯相连接，用于提供直流电流；
其中所述含金属芯的闭合状磁性多层膜的横截面为各处环宽相同的圆环状、椭圆环状或正多边形环状，横截面积为0.0016至0.39πμm2，
所述闭合状磁性多层膜的磁性单元中，在上下磁性层中，任一层的磁矩平行于膜面，另一层的磁矩垂直或接近垂直于膜面而使上下磁性层的磁矩之间形成稳定的90度或接近于90度的排列状态。
9.一种自旋微波检测器，包括：
含金属芯的闭合状磁性多层膜，用于接收待测微波信号并产生直流输出信号；
直流偏置，与所述含金属芯的闭合状磁性多层膜相连接，用以使所述待测微波信号和所述直流输出信号通过；
电压测量元件，其与所述直流偏置相连接，用于检测所述直流输出信号；
微波输入电路，其与所述直流偏置相连接，用于提供待测微波信号；
外加电路，其与所述金属芯相连接，用于提供直流电流；
其中所述含金属芯的闭合状磁性多层膜的横截面为各处环宽相同的圆环状、椭圆环状或正多边形环状，横截面积为0.0016至0.39πμm2，
所述闭合状磁性多层膜的磁性单元中，在上下磁性层中，任一层的磁矩平行于膜面，另一层的磁矩垂直或接近垂直于膜面而使上下磁性层的磁矩之间形成稳定的90度或接近于90度的排列状态。
10.如权利要求8所述的振荡器或如权利要求9所述的检测器，其中所述含金属芯的闭合状磁性多层膜的横截面呈椭圆环状，椭圆内环的短轴为60～400nm，内环的短轴与长轴的比值为1∶1～1∶4，椭圆环宽为20～300nm；所述金属芯的横截面为椭圆形，椭圆形的短轴为20～200nm，其形状与椭圆内环形状相同。
11.如权利要求8所述的振荡器或如权利要求9所述的检测器，其中所述含金属芯的闭合状磁性多层膜为含金属芯的无钉扎型单势垒闭合状磁性多层膜，其包括常规的各层：一衬底及其上面的下部缓冲导电层，在所述下部缓冲导电层上依次沉积的硬磁层、中间层、软磁层、覆盖层及导电层；所述衬底的材料包括SrTiO3、LaAlO3、Al2O3-TiC类陶瓷、Al2O3-WC类陶瓷或Al2O3-SiC类陶瓷；所述中间层的材料包括AlN；所述金属芯的材料包括Ru。
12.如权利要求8所述的振荡器或如权利要求9所述的检测器，其中所述含金属芯的闭合状磁性多层膜为含金属芯的无钉扎型双势垒闭合状磁性多层膜，其包括常规的各层：一衬底及其上的下部缓冲导电层，在所述的下部缓冲导电层上依次沉积的第一硬磁性层、第一中间层、自由软磁层、第二中间层、第二硬磁性层、覆盖层及导电层；所述衬底的材料包括SrTiO3、LaAlO3、Al2O3-TiC类陶瓷、Al2O3-WC类陶瓷或Al2O3-SiC类陶瓷；所述中间层的材料包括AlN；所述金属芯的材料包括Ru。
13.如权利要求8所述的振荡器或如权利要求9所述的检测器，其中所述含金属芯的闭合状磁性多层膜为含金属芯的钉扎型单势垒闭合状磁性多层膜，其包括常规的各层：一衬底及其上的下部缓冲导电层，在所述的下部缓冲导电层上依次沉积的反铁磁钉扎层、被钉扎磁性层、中间层、自由软磁层、覆盖层及导电层；所述衬底的材料包括SrTiO3、LaAlO3、Al2O3-TiC类陶瓷、Al2O3-WC类陶瓷或Al2O3-SiC类陶瓷；所述中间层的材料包括AlN；所述金属芯的材料包括Ru。
14.如权利要求8所述的振荡器或如权利要求9所述的检测器，其中所述含金属芯的闭合状磁性多层膜为含金属芯的钉扎型双势垒闭合状磁性多层膜，其包括常规的各层：一衬底及其上的下部缓冲导电层，在所述的下部缓冲导电层上依次沉积的第一反铁磁钉扎层、第一被钉扎磁性层、第一中间层、自由软磁层、第二中间层、第二被钉扎磁性层、第二反铁磁钉扎层及覆盖层及导电层；所述衬底的材料包括SrTiO3、LaAlO3、Al2O3-TiC类陶瓷、Al2O3-WC类陶瓷或Al2O3-SiC类陶瓷；所述中间层的材料包括AlN；所述金属芯的材料包括Ru。
15.如权利要求1、8所述的振荡器或如权利要求2、9所述的检测器，还包括外加磁场，所述外加磁场的磁感应线通过磁性多层膜的各层。
16.如权利要求1、8所述的振荡器或如权利要求2、9所述的检测器，其中所述直流偏置包括电感和电容。
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