CN104584416B - 自旋马达及自旋旋转构件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种自旋旋转构件，其具备：基板；自旋注入件，其设于基板上，且由在基板面内方向被磁化的强磁性体构成；自旋转子，其以与自旋注入件分离的方式设于基板上，且由磁矩能够在基板面内方向旋转的强磁性体构成；通道部，其配置在自旋注入件与自旋转子之间，且由直接或经由绝缘层与自旋注入件及自旋转子接合的非磁性体构成；以及自旋旋转控制部，其控制通道部的自旋的旋转方向。
Description
技术领域
本发明涉及自旋马达以及自旋旋转构件。
背景技术
在以往技术中，作为马达已知有一种纳米级的小型马达(例如，参照专利文献1、2)。专利文献1记载的马达具有：具备磁铁的转子、以及从四方包围转子的周围的小型线圈，该马达利用电磁感应进行驱动。专利文献2记载的马达具有由连接有电极的非磁性体构成的转子，该马达利用回转磁效应(gyromagnetic effect)进行驱动。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2007-069325号公报
专利文献2：日本特开2006-345638号公报
发明要解决的课题
然而，对于专利文献1所记载的马达，需要以由多个线圈围绕转子的方式调整配置关系进行组装，因此在欲进一步小型化的情况下，有可能使制造变得困难。此外，对于专利文献2所记载的马达，需要对转子自身施加电流，因此需要有在确保转子的旋转性的状态下与电极结合的特别构造。因此，本技术领域中，需求一种简单构造的马达以及用于该马达等的构件。
发明内容
本发明的一技术方案的自旋旋转构件具备：基板；自旋注入件，其设于基板上，且由在基板面内方向被磁化的强磁性体构成；圆板状的自旋转子，其以与自旋注入件分离的方式设于基板上，且由磁矩能够在基板面内方向旋转的强磁性体构成；通道部，其配置在自旋注入件与自旋转子之间，且由直接或经由绝缘层与自旋注入件及自旋转子接合的非磁性体构成；以及自旋旋转控制部，其控制通道部的自旋的旋转方向。
通过如此构成，例如当向由强磁性体构成的自旋注入件以及由非磁性体构成的通道部施加电流或电压时，在通道部产生朝向由强磁性体构成的自旋转子的自旋流。流动于通道部的自旋作为自旋转换力矩(Spin-Transfer Torque)作用于自旋转子的磁矩。此时，能够利用自旋旋转控制部来控制流动于通道部的自旋的朝向，因此能够使自旋转子的磁矩旋转。因此，能够以简单的构造实现自旋旋转构件。此外，通过使用该自旋旋转构件，例如能够构成简单构造的马达。
一实施方式中，自旋旋转控制部可直接或经由绝缘层与通道部接合，也可朝通道部施加电压。此外，自旋旋转控制部也可朝向通道部照射圆偏光。另外，自旋旋转控制部也可变更朝向自旋注入件施加的电压值。通过如此构成，可适宜地控制流动于通道部的自旋流。
一实施方式中，通道部也可由半导体材料形成。通过如此构成，通过向通道部照射圆偏光，可控制自旋的朝向。此外，能够进行经由自旋轨道相互作用的自旋控制。
一实施方式中，通道部也可具有二维电子气体层。通过如此构成，利用二维电子气体层供给自旋，因此能够高效地进行通道部中的自旋的角运动量的传输。
一实施方式中，通道部也可以是以轴线方向朝向面内方向的方式配置的线型构件，自旋转子也可使该自旋转子的直径小于通道部的所述线宽。通过如此构成，能够高效地进行相对于自旋转子的自旋的角运动量的传输。
本发明的另一技术方案的自旋马达具备：基板；自旋注入件，其设于基板上，且由在基板面内方向被磁化的强磁性体构成；自旋转子，其以与自旋注入件分离的方式设于基板上，且由磁矩能够在基板面内方向旋转的强磁性体构成；通道部，其配置在自旋注入件与自旋转子之间，且由直接或经由绝缘层与自旋注入件及自旋转子接合的非磁性体构成；自旋旋转控制部，其控制通道部的自旋的旋转方向；以及马达转子，其与自旋转子分离且对置配置，并由追随自旋转子的磁矩进行旋转的强磁性体构成。
通过如此构成，当自旋转子的磁矩旋转时，可使由与自旋转子对置配置的强磁性体构成的马达转子追随自旋转子的磁矩的旋转而进行旋转。因此，能够利用使自旋转子与马达转子对置配置这样的简单构造，实现自旋马达。
一实施方式中，也可以为自旋转子呈圆板状，马达转子以旋转轴与基板正交的方式配置。在自旋转子为圆板状的情况下，可使基板面内方向的自旋转子的磁性异向性均等，因此能够容易地进行自旋转子的磁矩在基板面内方向上的旋转的控制。
一实施方式中，也可以使通道部形成于基板上，自旋注入件及所述自旋转子形成于通道部上，马达转子分离配置于自旋转子的上方。通过如此构成，容易地制作自旋马达。
发明效果
如上所述，根据本发明的各种方案及实施方式，可提供简单构造的马达及应用于该马达等的构件。
附图说明
图1是一实施方式的自旋旋转构件的立体图。
图2是沿着图1中的II-II线的剖视图。
图3是表示一实施方式的自旋马达的立体图。
图4是说明一实施方式的自旋旋转构件的动作原理的概要图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行具体说明。需要说明的是，在附图的说明中，对相同的要素标注相同的附图标记，并省略重复说明。此外，附图的尺寸比率不一定与说明内容的尺寸一致。
本实施方式的自旋马达是应用了所谓的自旋阀构造的自旋马达，例如，其适宜用作纳米级的自旋马达。图1是应用于一实施方式的自旋马达的自旋旋转构件的立体图。图2是沿着图1的II-II线的剖视图。
如图1所示，自旋旋转构件10例如具备通道部12、自旋注入件14、自旋旋转控制部15及自旋转子16。在此，形成有面内自旋阀构造，其是通过将由强磁性体构成的自旋注入件14及由强磁性体构成的自旋转子16借助由非磁性体构成的通道部12桥接而成的。自旋注入件14及自旋转子16可由例如Fe、NiFe等形成。通道部12可由例如Si或砷化镓(GaAs)等半导体材料、或Ag、Cu等非磁性金属形成。以下，对通道部12由半导体材料形成的情况进行说明。
如图1、图2所示，通道部12配置在基板24上。例如，使用半导体基板作为基板24。通道部12为线型构件，且以其轴线方向朝向面内方向的方式配置。通道部12是例如通过将积层于基板24上的半导体层20加工成台面状而形成的。通道部12的线宽为例如10μm以下。此外，通道部12的线宽也可为例如0.05μm以上。需要说明的是，在基板24与半导体层20之间形成有二维电子气体层22的情况下，也可通过将二维电子气体层22及半导体层20加工成台面状而形成通道部12。例如，在使用GaAs基板作为基板24，且将电子掺杂于基板24而形成半导体层20的情况下，在半导体层20与基板24之间形成有二维电子气体层22。
自旋注入件14设于基板24上。自旋注入件14是线型构件，且以其轴线方向朝向面内方向的方式配置，并朝向面内方向被磁化。需要说明的是，在此，自旋注入件14配置在通道部12上。自旋注入件14以与通道部12交叉的方式配置。因此，自旋注入件14及通道部12彼此接触(直接接合)。自旋注入件14及通道部12相交叉的区域成为自旋注入区域(自旋注入位置)。自旋注入件14的线宽为例如10μm以下。此外，自旋注入件14的线宽也可为例如0.05μm以上。
自旋转子16以与自旋注入件14分离的方式设置于基板24上。自旋转子是圆板构件，且形成为磁矩朝向基板面内方向。需要说明的是，圆板构件是指其水平截面不具有锐角部的形状的构件。圆板构件例如也可为直径小的圆板形状(点状)的构件或圆锥状构件。此外，圆板构件例如不只是其水平截面为圆形的板状构件，还包括水平截面为椭圆形的构件、水平截面为多边形且角的角度例如接近180度的角度非常大的多边形的构件。在此，自旋转子16配置在通道部12上。自旋转子16与通道部12接触(直接接合)。在此，自旋转子16的直径形成为比通道部12的线宽小。自旋转子16的直径为例如10μm以下。此外，自旋转子16的直径也可为例如0.05μm以上。
如此，形成在自旋注入件14与自旋转子16之间配置有通道部12的面内自旋阀构造。在自旋注入件14的一端部形成有电流或电压施加用的端子部14a，在通道部12的一端部(两端部中的靠近自旋注入件14的端部)形成有施加电流或电压用的端子部12a。
自旋旋转控制部15例如具备电压控制部及电压施加用端子。自旋旋转控制部15连接于通道部12。例如，自旋旋转控制部15与通道部12上的区域、即位于自旋注入件14与自旋转子16之间的区域直接接合。为了控制通道部12的自旋的旋转方向，自旋旋转控制部15构成为能够朝向通道部12施加电场或磁场。自旋旋转控制部15例如呈大致长方体，且与通道部12的长度方向正交的方向的宽度为例如10μm以下。此外，与通道部12的长度方向正交的方向的宽度也可为例如0.01μm以上。需要说明的是，在此，自旋转子16形成为与通道部12的长度方向正交的方向上的宽度为通道部12的线宽以下。
图3是表示一实施方式的自旋马达的立体图。如图3所示，自旋马达40具备自旋旋转构件10及马达转子30。马达转子30由强磁性体材料形成，且在自旋转子16的上方与自旋转子分离且对置配置。马达转子30只要配置在传递有自旋转子16的漏磁磁场的范围内即可，其配置在距自旋转子16例如数十nm以下的范围内。也就是说，马达转子30配置于可追随自旋转子16的磁矩进行旋转的位置。马达转子30例如呈大致圆板状，且以其旋转轴与基板24正交的方式配置。需要说明的是，马达转子30的形状不限于大致圆板状，例如也可以为杆状构件等。在马达转子30上连接有用于传递马达转子30的旋转运动的杆状构件等。马达转子30的直径为例如10μm以下。此外马达转子30之直径也可为例如0.1μm以上。
具有上述结构的自旋旋转构件10及马达转子30通过以下方式进行动作。图4是用于说明一实施方式的自旋马达40的动作原理的概略图。首先，在自旋注入件14的端子部14a与通道部12的端子部12a之间施加电流。由此，如图4所示，与自旋注入件14的磁化方向成为反平行的自旋被注入通道部12。注入到通道部12的自旋朝向通道部12的两端部扩散。此时，与扩散的自旋反平行的自旋从自旋转子16侧流向自旋注入件14侧。因此，未伴有电荷的自旋流从自旋注入件14侧朝向自旋转子16侧产生。流动于通道部12的自旋借助自旋轨道相互作用进行进动，该自旋轨道相互作用通过由自旋旋转控制部15施加的电压所产生的电场来控制。也就是说，流动于通道部12的自旋的朝向可借助自旋旋转控制部15的施加电压进行变更。在此，自旋的朝向根据时间在基板面内方向上渐渐地以各旋转Δθ的方式进行变更。此时，作为自旋角度可设定为固定值，例如以每单位时间旋转10度(Δθ＝10度)的方式设定。或者，也可将自旋角度作为可变值。到达自旋转子16的自旋流按照时序在基板面内方向使自旋的朝向各旋转Δθ。通道部12的自旋系将自旋转换力矩(Spin-Transfer Torque)供给于自旋转子16的磁矩。因此，通过使自旋流的自旋的朝向按照时序进行旋转，从而使自旋转子16的磁矩旋转。此时，如图3所示，马达转子30追随自旋转子16的磁矩进行旋转。如此，通过将磁矩的旋转转换为动能，可作为自旋马达40进行驱动。此外，例如，在将自旋转子16的水平截面采用椭圆形等在轴的长度上具有差值的形状的情况下，容易使磁矩朝向长轴方向，因此可控制初期的磁矩的朝向。
如上所述，根据一实施方式的自旋旋转构件10及自旋马达40，只要将马达转子30分离地配置于自旋转子16的上方，即可将磁矩的旋转转换为动能。也就是说，不需要以利用多个线圈等围绕马达转子30的方式调整配置关系进行组装，并且，不需要朝马达转子30自身施加电流，因此可作成简单构造的马达。
此外，根据一实施方式的自旋旋转构件10及自旋马达40，能够通过在基板24上进行积层、蚀刻等而进行制造，因此能够通过以往的半导体技术容易地制造。
此外，非磁性金属的自旋扩散长度在室温下为数100nm左右，与此相比，半导体的自旋扩散长要长1位数以上。因此，通过以半导体材料形成通道部12，与采用其他的非磁性体的情况相比，能够将自旋注入件14及自旋转子16分离形成。因此，与采用其他的非磁性体的情况相比，在制造工程中不要求严密的加工精度，能够容易地制作自旋旋转构件10。
此外，根据一实施方式的自旋旋转构件10，通过以二维电子气体层22及半导体层20形成通道部12，而自二维电子气体层22供给自旋，因此，能够高效地进行通道部12中的自旋的角运动量的传输。
此外，根据一实施方式的自旋旋转构件10，自旋转子16形成为与通道部12的长度方向正交的方向上的宽度成为通道部12的线宽以下，因此，能够将通道部12的自旋的角运动量朝自旋转子16高效地传输。
另外，根据一实施方式的自旋旋转构件10，在靠近自旋注入件14的通道部12的端部形成有电流施加用的端子部12a，因此能够产生不伴有电荷的流动的自旋流而使自旋转子16的磁矩旋转。因此，能够抑制焦耳热的产生，因而能够制作可稳定动作的自旋旋转构件10。
上述实施方式是表示本发明的自旋旋转构件及自旋马达的一例，但不限于实施方式所涉及的自旋旋转构件及自旋马达，也可变形或应用于其他装置。
例如，上述实施方式中，对自旋注入件14、自旋旋转控制部15及自旋转子16与通道部12直接接合的例子进行了说明，但自旋注入件14、自旋旋转控制部15及自旋转子16中的至少一个也可经由绝缘层与通道部12接合。即使在如此构成的情况下，也可发挥作为自旋旋转构件10的功能。
另外，上述实施方式中，对将自旋注入件14及自旋转子16配置于比通道部12靠上方的例子进行了说明，但只要是自旋注入件14及自旋转子16成为与通道部12至少一部分接触的状态，也可以通过任何方式配置。也就是说，自旋注入件14及自旋转子16也可配置于通道部12的侧方。此外，自旋转子16也可为通道部12的线宽以上。
此外，上述实施方式中，对作为自旋旋转控制部15朝通道部12施加电流的例子进行了说明，但也可采用其他的自旋旋转控制部。例如，也可采用朝向通道部12照射圆偏光的照射部作为自旋旋转控制部15。需要说明的是，在该情况下，通道部12由半导体材料形成。通过如此形成，能够使用圆偏光来控制自旋的朝向，因此可减少与通道部12接触的零件数。
另外，也可采用对朝向自旋注入件14施加的电压值进行变更的控制部作为自旋旋转控制部15。在强磁性体金属与半导体的界面形成肖特基能障，在电子的能量与共振位准一致时，电流流动变大。通过变更朝向自旋注入件14施加的电压值，可变更在强磁性体金属/半导体界面内生成的共振位准，因此能以朝自旋注入件施加的电压来控制通道部12的自旋的朝向。通过如此形成，可减少与通道部12接触的零件数。
此外，上述实施方式中，对通过所谓的非局部方法来产生不伴有电荷的流动的自旋流而使自旋转子16旋转的例子进行了说明，但也可在靠近自旋转子16的通道部12的端部处形成电流施加用的端子部12a，并通过所谓的局部方法来产生伴有电荷的流动的自旋流而使自旋转子16的磁矩旋转。该情况下，与非局部方法的情况相比，能够增大电流密度，因此能够增大自旋力矩。因此，能够高效地使自旋转子16的磁矩旋转。
此外，上述实施方式中，对马达转子30与自旋转子16分离且对置配置的例子进行了说明，但不限于自旋转子16与马达转子30分离的情况。例如，自旋转子16与马达转子30也可经由轴承等连接。即使如此构成的情况下，也可发挥作为自旋马达的功能。
上述实施方式中，对还包含自旋旋转构件10及自旋马达40的各构成构件的大小是微米级的构件的情况进行了说明，但也能够以纳米级形成各构成构件的大小，作出纳米级的自旋旋转构件10及自旋马达40。
产业上的可利用性
自旋旋转构件10在产业上具有如下的可利用性。自旋旋转构件10例如，像上述实施方式所涉及的自旋马达40那样，作为驱动微小马达的马达用动力源，能够在MEMS(MicroElectro Mechanical Systems)、NEMS(Nano Electro Mechanical Systems)等领域中使用。此外，自旋旋转构件10及自旋马达40可作为电子·电气领域、医疗相关领域等仪器零件、马达来使用。
此外，自旋旋转构件10例如也可作为离心分离器的一个零件(离心分离器用的零件)来使用。使用自旋旋转构件10的离心分离器例如也可以设为如下构造：使转速不同的多个自旋转子16排列，并使组入有磁性珠粒的高分子·生物材料等追随自旋转子16的磁矩进行旋转，借助离心力进行分离。
此外，自旋旋转构件10例如也可作为振荡器的一个零件(振荡器用的零件)使用。使用自旋旋转构件10的振荡器例如也可利用仅在两个磁矩的朝向一致时才使电流流动的磁性电阻效应。也可设为如下构造：通过利用了经由非磁性体构件与自旋转子16接触的强磁性体的磁矩的朝向以及自旋转子16的磁矩的方向的磁阻效应，根据自旋转子16的转速来产生振荡。
附图标记说明
10…自旋旋转构件；12…通道部；14…自旋注入件；15…自旋旋转控制部；16…自旋转子；24…基板；30…马达转子；40…自旋马达。
Claims (10)
1.一种自旋旋转构件，其中，
该自旋旋转构件具备：
基板；
自旋注入件，其设于所述基板上，且由在基板面内方向被磁化的强磁性体构成；
圆板状的自旋转子，其以与所述自旋注入件分离的方式设于所述基板上，且由磁矩能够在基板面内方向旋转的强磁性体构成；
通道部，其配置在所述自旋注入件与所述自旋转子之间，且由直接或经由绝缘层与所述自旋注入件及所述自旋转子接合的非磁性体构成；以及
自旋旋转控制部，其控制所述通道部的自旋的旋转方向，
所述自旋旋转控制部使所述通道部的自旋的朝向根据时间在基板面内方向上以各旋转规定角度的方式进行变更。
2.根据权利要求1所述的自旋旋转构件，其中，
所述自旋旋转控制部直接或经由绝缘层与所述通道部接合，朝向所述通道部施加电压。
3.根据权利要求1所述的自旋旋转构件，其中，
所述自旋旋转控制部朝向所述通道部照射圆偏光。
4.根据权利要求1所述的自旋旋转构件，其中，
所述自旋旋转控制部变更朝向所述自旋注入件施加的电压值。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的自旋旋转构件，其中，
所述通道部由半导体材料形成。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的自旋旋转构件，其中，
所述通道部具有二维电子气体层。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的自旋旋转构件，其中，
所述通道部是以轴线方向朝向面内方向的方式配置的线型构件，
所述自旋转子的直径小于所述通道部的线宽。
8.一种自旋马达，其中，
该自旋马达具备：
基板；
自旋注入件，其设于所述基板上，且由在基板面内方向被磁化的强磁性体构成；
自旋转子，其以与所述自旋注入件分离的方式设于所述基板上，且由磁矩能够在基板面内方向旋转的强磁性体构成；
通道部，其配置在所述自旋注入件与所述自旋转子之间，且由直接或经由绝缘层与所述自旋注入件及所述自旋转子接合的非磁性体构成；
自旋旋转控制部，其控制所述通道部的自旋的旋转方向；以及
马达转子，其与所述自旋转子分离且对置配置，且由追随所述自旋转子的磁矩进行旋转的强磁性体构成，
所述自旋旋转控制部使所述通道部的自旋的朝向根据时间在基板面内方向上以各旋转规定角度的方式进行变更。
9.根据权利要求8所述的自旋马达，其中，
所述自旋转子呈圆板状，
所述马达转子以旋转轴与基板正交的方式配置。
10.根据权利要求8或9所述的自旋马达，其中，
所述通道部形成在所述基板上，
所述自旋注入件及所述自旋转子形成在所述通道部上，
所述马达转子以与所述自旋转子分离的方式配置于所述自旋转子的上方。
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