CN106207364A - 基于硬磁材料的自旋微波振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于硬磁材料的自旋微波振荡器。一种自旋微波振荡器包括磁性多层膜结构，所述磁性多层膜结构在直流偏置下产生微波振荡信号，所述磁性多层膜结构包括：参考层，其由铁磁材料制成且具有被钉扎或被固定的磁化方向；进动层，其包括至少一个硬磁材料层，所述进动层在所述直流偏置下产生磁矩进动；以及间隔层，其设置在所述参考层和所述进动层之间，并且由导电层或绝缘层形成。

Description

基于硬磁材料的自旋微波振荡器

技术领域

本发明总体上涉及自旋微波振荡器，更特别地，涉及一种基于硬磁材料的自旋微波振荡器。

背景技术

自二十世纪九十年代以来，磁记录技术伴随着自旋电子学的发展而得到了长足的进步。尤其是巨磁电阻(GMR)效应和隧穿磁电阻(TMR)效应的发现，都极大地提高了磁记录的密度。典型的GMR自旋阀结构和TMR隧道结结构都具有所谓的“三明治”结构，包括被两个铁磁层夹持的间隔层，其中一个铁磁层是参考层，其具有固定的磁化方向，另一个铁磁层是自由层，其磁化方向可以响应于外磁场而自由旋转。对于GMR自旋阀结构而言，两个铁磁层之间的间隔层可以是非磁导电金属；对于TMR隧道结结构而言，间隔层可以是非磁绝缘层。GMR自旋阀结构和TMR隧道结结构的电阻与两个铁磁层的磁化方向之间的角度θ的余弦(cos(θ))成比例。当两个铁磁层的磁化方向彼此平行时，电阻最小；当两个铁磁层的磁化方向彼此反平行时，电阻最大。因此，通过测量GMR自旋阀结构和TMR隧道结结构的电阻(或电压)，可以得到自由层的磁化方向，进而得到外磁场的方向。

可以理解，为了提高感测精度，要求自由层非常灵敏，能够响应于小的外磁场而转动其磁化方向，使其磁化方向与外磁场保持一致。因此，GMR自旋阀结构和TMR隧道结结构的自由层都必须由软磁材料制成。软磁材料具有小的磁晶各向异性和低的矫顽力，能够响应于非常小的外磁场而自由改变其磁化方向。就此而言，本领域技术人员一般理解，自由层就是软磁层。

在对GMR效应和TMR效应进行研究的过程中，还发现了许多其他物理现象。例如在2003年，Kiselev等人发现当自旋极化的DC电流通过纳米尺寸的巨磁电阻(GMR)多层膜时，会产生自旋转移力矩(spin transfer torque，STT)，在合适的条件下会使自由层磁化发生磁阻振荡，输出高频信号(参见Kiselev S I,Sankey J C,Kirvorotov I N,et al.Microwave oscillations of ananomagnet driven by a spin-polarized current.Nature,2003,425:380)。在该结构中，单个磁层扮演了类似纳米马达的作用：它将DC电流的能量转变成高频磁进动。测量的电信号要大于40倍的室温热噪声，输出功率范围为25～100pW/mA，频率最大可达到40GHz左右，而且微波频率的位置能由电流和磁场共同或分别调节。随后，Deac等人利用100nm左右的具有MgO势垒的磁性隧道结产生了可以跟实际应用器件相比拟的微波信号输出功率，约0.43μW(参见Deac M,Fukushima A,Kubota H,et al.Bias-driven high-powermicrowave emission from MgO-based tunnel magnetoresistance devices,NaturePhysics,2008,4:803)。这种自旋微波振荡器，也称为自旋纳米振荡器(spintransfer nano-oscillator，STNO)，具有很多优点，例如结构简单，体积小(是现有的晶体振荡器的尺寸的五十分之一)、集成度高、频率高、频率调制范围宽、稳定性好以及功耗低等，较现有的微波振荡器诸如LC振荡器和晶体振荡器具有无法比拟的优势，在微波振荡器、信号发射源以及微波检测器等器件中具有极大的应用潜力和前景，被认为是下一代振荡器的候选者，因此得到了广泛的研究。

发明内容

本发明一实施例提供一种自旋微波振荡器，其包括磁性多层膜结构，所述磁性多层膜结构在直流偏置下产生微波振荡信号，所述磁性多层膜结构包括：参考层，其由铁磁材料制成且具有被钉扎或被固定的磁化方向；进动层，其包括至少一个硬磁材料层，所述进动层在所述直流偏置下产生磁矩进动；以及间隔层，其设置在所述参考层和所述进动层之间，并且由导电层或绝缘层形成。

在一示例中，所述进动层包括彼此层叠的多个硬磁材料层。

在一示例中，所述进动层还包括设置在所述至少一个硬磁材料层与所述间隔层之间的软磁材料层。

在一示例中，所述软磁材料层包括CoFe、CoFeSi、CoFeNi、CoFeB、CoFeSiB、CoFeNiB、CoFeAl、CoFeSiAl、CoFeNiAl中的一种或多种。

在一示例中，所述硬磁材料包括硬磁金属或其合金、稀土硬磁材料、以及铁氧体硬磁材料。

在一示例中，所述硬磁金属或其合金包括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、R₂Co_17-xM_x，其中R选自Ce、Gd、Ho和Y，M选自Ga、Al和Si，且0<x≤1，所述铁氧体硬磁材料包括BaFeO和SrFeO。

在一示例中，所述硬磁材料具有10⁶erg/cm³以上的磁晶各向异性能。

在一示例中，所述进动层的厚度为1-100nm之间。

在一示例中，所述进动层的磁化方向与所述参考层的磁化方向具有非共线性。

在一示例中，所述磁性多层膜结构的平面尺寸为500nm以下，所述直流偏置的电流密度为10⁵A/cm²以上。

本发明的自旋微波振荡器能产生高达100GHz的微波振荡信号，因此能应用于各种高频电子设备中。

附图说明

图1示出根据本发明一实施例的自旋微波振荡器的电路框图。

图2示出根据本发明一实施例的磁性多层膜结构的结构图。

图3示出利用根据本发明一实施例的自旋微波振荡器产生的微波信号的频域特性。

图4示出本发明的自旋微波振荡器所使用的一种硬磁材料的铁磁共振曲线。

图5示出根据本发明另一实施例的磁性多层膜结构的结构图。

图6示出根据本发明另一实施例的磁性多层膜结构的结构图。

具体实施方式

如前所述，在现有的自旋微波振荡器中，均采用由软磁材料制成的自由层，因为软磁材料一般易于制备，并且具有较低的矫顽力。一般而言，利用软磁自由层的自旋微波振荡器可以产生目前常用的频率范围例如数GHz到数十GHz的微波信号。

本发明人在研究中发现，硬磁材料也能产生高频进动，可以用于自旋微波振荡器。并且，由于硬磁材料比软磁材料具有更高的磁晶各向异性和更大的矫顽力，因此能够产生频率更高的微波振荡信号。

图1是根据本发明一实施例的自旋微波振荡器100的示意性电路图。如图1所示，自旋微波振荡器100可包括磁性多层膜结构110，直流偏置结构120以及放大器130。

磁性多层膜结构110可以是根据本发明的用于产生微波振荡信号的磁性多层膜结构，其具体结构将在下面更详细地描述。直流偏置结构120可以是例如直流电流源，其将直流电流施加到磁性多层膜结构110上。自旋微波振荡器100还可以包括电感器122，其可以连接在直流电流源120和磁性多层膜结构110之间以起到阻抗匹配的作用。在直流电流的激励下，磁性多层膜结构110可以产生微波振荡信号。由于磁性多层膜结构110产生的微波振荡信号的输出功率一般较低，例如在微瓦量级，自旋微波振荡器100还可以包括放大器130以对所产生的微波振荡信号进行放大。电容器132可以连接在磁性多层膜结构110和放大器130之间以滤除直流信号，而仅交变信号(即，微波振荡信号)被馈送到放大器130以进行放大。

图2示出根据本发明一实施例的磁性多层膜结构200，其可以用于图1所示的自旋微波振荡器100。如图2所示，磁性多层膜结构200可包括依次沉积在衬底210上的反铁磁钉扎层220、参考层230、间隔层240和进动层250。

衬底210可以是例如绝缘体衬底，例如SiO、MgO、Al₂O₃、SrTiO₃、LaAlO₃等，或者可以是覆盖有绝缘层的半导体衬底，例如Si/SiO₂衬底等。本领域技术人员可以理解的是，衬底210的材料不限于上述示例，而是可以选用GMR自旋阀结构和TMR隧道结结构中常用的那些衬底材料，此处不再赘述。

虽然未示出，但是在衬底210和反铁磁钉扎层220之间还可以形成有缓冲层。缓冲层可以调节衬底210与反铁磁钉扎层220之间的晶格失配，从而能够在其上生长具有更好晶体结构的反铁磁钉扎层220，进而实现更佳的钉扎效果。缓冲层还可用作底电极。这样的缓冲层的示例包括但不限于Ru、Cr、Cu、Pt、Au、Ag、Fe、Ta、Mo、Zr、Nb，或它们的混合物。缓冲层可以是单层结构，也可以是不同材料的多层结构。一般而言，缓冲层的厚度可以为1-100nm之间，优选4-60nm之间。

反铁磁钉扎层220形成在衬底210或缓冲层上，以用于对后面将要形成在其上的参考层230提供反铁磁钉扎效果。反铁磁钉扎层220可包括反铁磁金属及其合金，或者反铁磁金属及其合金与人工反铁磁钉扎材料的结合，例如但不限于IrMn、PtMn、FeMn、CrPt、CoO、NiO、IrMn/Co/Ru/Co、IrMn/CoFe/Ru/CoFe、IrMn/CoFe/Ru/CoFeB、IrMn/Co/Cu/Co，或者可包括反铁磁钙钛矿稀土锰氧化物等。反铁磁钉扎层220的厚度可以例如在1-50nm之间，优选5-20nm之间。

参考层230形成在反铁磁钉扎层220上。参考层230由磁材料形成，并且其磁化方向通过交换耦合而被反铁磁钉扎层220钉扎或固定。参考层230可包括铁磁材料、半金属磁材料或磁性半导体材料。铁磁材料的示例包括但不限于Fe、Co、Ni等3d过渡族磁性金属，Pr、Nd、Sm、Gd、Te、Dy等稀土金属，CoFe、CoFeB、CoFeAl、CoFeSiAl、CoFeNiAl、NdFeB、NiFe、GdY等铁磁合金。半金属磁材料的示例包括但不限于Fe₃O₄、CrO₂、La_1-xSr_xMnO₃(0.16<x<1.0)、La_1-xCa_xMnO₃(0.18<x<0.5)、Pr_1-xSr_xMnO₃(0.3<x<1.0)、以及诸如Co₂MnSi之类的Heussler合金。磁性半导体材料的示例包括但不限于Fe、Co、Ni、V或Mn掺杂的ZnO、TiO₂、HfO₂或SnO₂，以及Fe、Co、Ni、V或Mn掺杂的GaAs、InAs、GaN或ZnTe。参考层230的厚度可以在1-30nm之间，优选1-10nm之间。

间隔层240形成在参考层230上，并且将参考层230和进动层250分隔开。间隔层240可以是导电层，优选非磁导电层，诸如常用于GMR自旋阀结构的那些，或绝缘层，优选非磁绝缘层，诸如常用于TMR隧道结结构的那些。非磁导电层的示例包括但不限于Ru、Cu、Ag、Au、Pt、Cr、Al、Zn、Pd、Zr、Ti、Sc，或者它们的混合物。非磁绝缘层的示例包括但不限于Al₂O₃、AlN、MgO、Ta₂O₅、HfO₂。为了产生微波振荡信号，间隔层240的厚度应足够薄，一般小于50nm，优选小于20nm。对于非磁导电层，其厚度优选为0.5-10nm之间；对于非磁绝缘层，其厚度优选为0.3-5nm之间。

进动层250形成在间隔层240上。进动层250也由磁材料形成。当一个稳定的直流电流垂直通过磁性多层膜结构200时，会产生自旋转移力矩(STT)效应，引起进动层250的磁矩矢量绕其平衡位置进行进动运动，导致磁电阻的周期性变化，从而产生稳定的微波振荡信号。

不同于现有技术中所使用的软磁自由层，本发明的进动层250可包括至少一个硬磁层。虽然图2示出了仅由一个硬磁层构成的进动层250，但是进动层250也可以包括多个硬磁层的层叠结构。可用于形成进动层250的硬磁材料可包括硬磁金属或其合金、稀土硬磁材料以及铁氧体硬磁材料。硬磁金属或其合金的示例包括但不限于Dy、FePt、CoPt、CoCr、SmCo、FeCr、CoCrPt、FeCrPt、FeCoCr、MnGa、MnCr、MnRuGa、TbDyFe和AlNiCo等，稀土硬磁材料的示例包括但不限于NbFeB、RCo₅、R₂Co₁₇和R₂Co_17-xM_x等，其中R选自Ce、Gd、Ho和Y，M选自Ga、Al和Si，且0<x≤1。铁氧体硬磁材料的示例包括但不限于BaFeO和SrFeO等。如前所述，进动层250可以包括这些硬磁材料的单层结构，或者两层或更多层的叠层结构。进动层250的厚度可以在1-100nm之间，优选1-50nm之间，更优选1-10nm之间。

对于参考层230和进动层250的磁化方向，本发明无特定限制，而是可以采用现有技术中已经使用的各种配置。换言之，参考层230和进动层250每个的磁化方向均可以采用面内磁化和垂直磁化中的任意一种。应注意的是，进动层250的磁化方向应与参考层230的磁化方向具有非共线性，换言之，二者不能彼此平行。当二者的磁化方向不平行时，由参考层230诱导的自旋转移力矩(STT)才能使进动层250的磁矩矢量绕其平衡位置进动，从而产生稳定的微波振荡信号。

还应注意的是，当进动层250的磁矩的进动(振荡)相对于参考层230的磁矩方向刚好对称时，电压信号只发生在振荡基频的两倍处，因为进动层250的磁矩进动半圈，电阻变化就变化一个周期。为了在基频处产生可测的信号强度，一般可采用两种方法：一种方法是可以在与进动层250的磁矩方向偏离的方向上施加偏置磁场；另一种方法是在生长过程中诱导进动层250的磁化方向，使其偏离对称中心位置。在一优选实施例中，参考层230和进动层250的磁化方向可以彼此垂直。例如，参考层230可以具有面内磁化方向，而进动层250可以具有垂直磁化方向。这种配置有利于产生较大的进动，并且在原理上避免了对外加偏置磁场的需要。

虽然未示出，但是进动层250上还可以覆盖有保护层。保护层可以由耐腐蚀的金属或合金制成，例如Ta、Au、Pt、CuN等，以保护下面的磁性多层膜结构。此外，保护层还可以用作顶电极。

可以理解，磁性多层膜结构200所产生的微波振荡信号的频率主要由进动层250的进动频率决定。例如，进动层250的进动频率f可以由下面的公式1确定：

$f=\frac{\mathrm{\&gamma;}}{2\mathrm{\&pi;}}\sqrt{(H+H_{\mathrm{an}}+H_d)(H+H_d+4{\mathrm{\&pi;M}}_{\mathrm{eff}})}---\left(1\right)$

其中γ是回磁比，H是外磁场，H_an是磁晶各向异性场，H_d是退磁场，M_eff是有效饱和磁化强度。可以看出，由于硬磁材料具有比软磁材料更大的磁晶各向异性场H_an，因此能产生更高频率的微波振荡信号。具体而言，软磁材料一般产生0.8-40GHz的微波信号，而硬磁材料可产生10GHz以上，甚至高达100GHz的微波信号。本发明人发现，磁晶各向异性能大于10⁶erg/cm³的硬磁材料几乎都能产生10GHz以上频率的微波信号。优选地，用于进动层250的硬磁材料具有10⁷erg/cm³的磁晶各向异性能。

为了实现进动层250的磁化方向的等幅进动，磁性多层膜结构200的尺寸应足够小，一般平面尺寸在500nm以下，优选100nm以下，并且通过磁性多层膜结构200的电流密度应足够大，一般在10⁵A/cm²以上，优选10⁷A/cm²以上。如此高密度的电流产生的自旋动量矩才能够与进动层250的磁材料的角动量相匹配，引起进动层250的磁化方向的等幅进动，从而产生所需的微波振荡信号。

图2所示的磁性多层膜结构200也称为纳米柱结构。除了纳米柱结构之外，磁性多层膜结构200还可以具有纳米点接触结构。纳米柱结构和纳米点接触结构均是本领域常用结构，例如可参见《自旋电子学导论》(韩秀峰等编著，2014年8月第一版)第27章第4节的描述，此处不再对纳米点接触结构进行重复描述。

上述磁性多层膜结构可以利用常规的薄膜制备手段来制备，例如分子束外延方法、磁控溅射方法、电子束蒸发方法、激光脉冲沉积法、化学气相沉积法、电镀法、以及电化学沉积法，并且结合光刻工艺来制备预定的平面形状，例如矩形、正方形、椭圆形、圆形、环形等。这些方法都是本领域常用的方法，因此这里不再逐层描述上述磁性多层膜结构的制备方法。

下面描述上述磁性多层膜结构200的一些具体例子。

例1

利用磁控溅射设备制备磁性多层膜。衬底为Si/SiO₂，磁性多层膜结构为Ru(5nm)/Pt(10nm)/IrMn(12nm)/CoFe(4nm)/Cu(2nm)/CoCr(10nm)/Ta(6nm)。磁性多层膜生长条件：基底真空5×10^-7帕；溅射用高纯度氩气气压0.07帕；溅射功率120瓦；样品架旋转速率20rmp；生长温度为室温；生长速率为0.3-1.1埃/秒；生长时间为薄膜厚度/生长速率。

利用紫外光刻以及氩离子蚀刻的方法进行微加工。紫外光刻条件：光刻胶S9918；曝光剂量55mJ/cm²；曝光时间17秒；显影液MF319；显影时间45秒；烘烤时间60秒；烘烤温度95度。氩离子蚀刻条件：功率300瓦；氩气压30毫托。图案形状为正方形，边长为80nm。

例2

例2的磁性多层膜结构也可以采用Si/SiO₂衬底，其上的结构依次为Ta(5nm)/Ru(20nm)/Ta(5nm)/IrMn(12nm)/CoFe(4nm)/MgO(1nm)/FePt(10nm)/Ta(6nm)。应注意的是，上面的例1采用了GMR自旋阀结构，也就是说，间隔层为导电金属Cu，而例2采用了TMR隧道结结构，也就是说，间隔层为绝缘体MgO。此外，例2的进动层为FePt，不同于例1的CoCr。例2的其他方面可以与例1类似，此处不再赘述。

例3

例3的磁性多层膜结构也可以采用Si/SiO₂衬底，其上的结构依次为Ru(5nm)/Pt(10nm)/IrMn(12nm)/CoFeAl(4nm)/MgO(1nm)/MnGa(10nm)/Ru(6nm)。例3的许多方面与上面的例1和例2类似，此处不再赘述。

例4

例4的磁性多层膜结构也可以采用Si/SiO₂衬底，其上的结构依次为Ru(5nm)/Pt(10nm)/IrMn(12nm)/CoFe(3nm)/Ru(0.9nm)CoFeAl(4nm)/MgO(1nm)/MnGa(10nm)/Ru(6nm)。注意，例4的参考层采用了反平行耦合结构。例4的其他方面与上面的例1-3类似，此处不再赘述。

例5

例5的磁性多层膜结构也可以采用Si/SiO₂衬底，其上的结构依次为Ta(5nm)/Ru(20nm)/Ta(5nm)/IrMn(12nm)/CoFe(4nm)/MgO(1nm)/[FePt(2nm)/CoPt(2nm)]_n/Ta(6nm)，其中n可以为大于等于1的整数。注意，例5的进动层采用了多层膜结构，而非上面的单层结构。例5的其他方面可以与上面的例1-4类似，此处不再赘述。

图3示出上述例1的磁性多层膜结构产生的微波信号的频域特性。如图3所示，由CoCr硬磁材料制成的进动层250可产生约17.3GHz的微波振荡信号。

硬磁材料的进动频率特性还可以通过铁磁共振实验来证实。在铁磁共振实验中，铁磁样品置于恒定磁场和微波磁场中，恒定磁场引起铁磁材料的磁矩发生进动，当进动频率与微波磁场频率相等时，发生强烈的微波吸收，以克服阻尼并且维持进动。因此，铁磁共振实验可以得到样品的进动频率。图4示出SmCo的铁磁共振(FMR)曲线。如图4所示，对于SmCo(20nm)/Fe(20nm)样品，在大约300高斯的恒定磁场下发生铁磁共振，并且共振曲线与理论值非常相符；而对于SmCo(20nm)/Fe(10nm)样品，在大约2800高斯的恒定磁场下发生铁磁共振。铁磁共振实验表明，SmCo的共振频率为大约9GHz。此外，铁磁共振实验还表明Dy的铁磁共振频率可高达100GHz。其他硬磁材料的铁磁共振实验数据这里不再一一赘述。这些实验都表明硬磁材料可实现比软磁材料更高频率的进动。

图5示出根据本发明另一实施例的磁性多层膜结构300，其也可以用于图1所示的自旋微波振荡器100。如图5所示，磁性多层膜结构300可包括依次沉积在衬底310上的进动层320、间隔层330、参考层340和反铁磁钉扎层350。虽然未示出，在衬底310与进动层320之间还可以形成有缓冲层以改善晶格匹配，该缓冲层还可以用作底电极。由于反铁磁钉扎层350的材料一般都具有良好的抗腐蚀性，所以在一实施例中，可以省略在其上的保护层，并且将反铁磁钉扎层350用作顶电极。在另一实施例中，还可以在反铁磁钉扎层350上形成保护层，并且将该保护层用作顶电极。各个层的材料和尺寸可以与图2所示的磁性多层膜结构200大致相同，因此这里不再重复描述。

图6示出根据本发明另一实施例的磁性多层膜结构400，其也可以用于图1所示的自旋微波振荡器100。如图6所示，磁性多层膜结构400可包括依次沉积在衬底410上的反铁磁钉扎层420、参考层430、间隔层440、插入层450和进动层460。插入层450可以由软磁材料形成，其可以改善间隔层440与进动层460之间的晶格匹配以及粘合性，同时确保所需的磁性能。形成插入层450的软磁材料可以包括CoFe、CoFeSi、CoFeNi、CoFeB、CoFeSiB、CoFeNiB、CoFeAl、CoFeSiAl、CoFeNiAl等。插入层450可以是这些材料中的任意一种的单层，也可以是两种或多种软磁材料的叠层。磁性多层膜结构400的其他方面可以与上面描述的磁性多层膜结构200类似，此处不再赘述。

还可以理解的是，类似于图5所示的磁性多层膜结构300，磁性多层膜结构400也可以采用参考层在进动层上方的结构，也就是说，从衬底侧起，依次形成进动层、插入层、间隔层、参考层和钉扎层。这种结构的其他方面可以与磁性多层膜结构400类似，此处不再赘述。

下面描述上述磁性多层膜结构400的一些具体例子。

例6

例6的磁性多层膜结构可以采用Si/SiO₂衬底，其上的结构依次为Ta(5nm)/Ru(20nm)/Ta(5nm)/IrMn(12nm)/CoFe(4nm)/MgO(1nm)/CoFe(1nm)/FePt(10nm)/Ta(6nm)。

例7

例7的磁性多层膜结构也可以采用Si/SiO₂衬底，其上的结构依次为Ru(5nm)/Pt(10nm)/IrMn(12nm)/CoFeAl(4nm)/MgO(1nm)/CoFeB(1nm)/MnGa(10nm)/Ru(6nm)。

例8

例8的磁性多层膜结构也可以采用Si/SiO₂衬底，其上的结构依次为Ta(5nm)/Ru(20nm)/Ta(5nm)/IrMn(12nm)/CoFe(4nm)/MgO(1nm)/CoFeSiB(1nm)/[FePt(2nm)/CoPt(2nm)]_n/Ta(6nm)，其中n可以为大于等于1的整数。

如前所述，本发明的磁性多层膜结构可以利用常规的薄膜制备手段来制备，因此此处不再重复描述磁性多层膜结构300、400和500的制备方法。

虽然上面参照示范性实施例描述了本发明，但是本发明不限于此。本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的范围和思想的情况下，可以进行形式和细节上的各种变化和修改。本发明的范围仅由所附权利要求及其等价物定义。

Claims (10)

1.一种自旋微波振荡器，包括磁性多层膜结构，所述磁性多层膜结构在直流偏置下产生微波振荡信号，所述磁性多层膜结构包括：

参考层，其由铁磁材料制成且具有被钉扎或被固定的磁化方向；

进动层，其包括至少一个硬磁材料层，所述进动层在所述直流偏置下产生磁矩进动；以及

间隔层，其设置在所述参考层和所述进动层之间，并且由导电层或绝缘层形成。

2.如权利要求1所述的自旋微波振荡器，其中，所述进动层包括彼此层叠的多个硬磁材料层。

3.如权利要求1所述的自旋微波振荡器，其中，所述进动层还包括设置在所述至少一个硬磁材料层与所述间隔层之间的软磁材料层。

4.如权利要求3所述的自旋微波振荡器，其中，所述软磁材料层包括CoFe、CoFeSi、CoFeNi、CoFeB、CoFeSiB、CoFeNiB、CoFeAl、CoFeSiAl、CoFeNiAl中的一种或多种。

5.如权利要求1-4中的任一项所述的自旋微波振荡器，其中，所述硬磁材料包括硬磁金属或其合金、稀土硬磁材料、以及铁氧体硬磁材料。

6.如权利要求5所述的自旋微波振荡器，其中，所述硬磁金属或其合金包括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、R₂Co₁₇和R₂Co_17-xM_x，其中R选自Ce、Gd、Ho和Y，M选自Ga、Al和Si，且0<x≤1，所述铁氧体硬磁材料包括BaFeO和SrFeO。

7.如权利要求1-4中的任一项所述的自旋微波振荡器，其中，所述硬磁材料具有10⁶erg/cm³以上的磁晶各向异性能。

8.如权利要求1-4中的任一项所述的自旋微波振荡器，其中，所述进动层的厚度为1-100nm之间。

9.如权利要求1-4中的任一项所述的自旋微波振荡器，其中，所述进动层的磁化方向与所述参考层的磁化方向具有非共线性。

10.如权利要求1-4中的任一项所述的自旋微波振荡器，其中，所述磁性多层膜结构的平面尺寸为500nm以下，所述直流偏置的电流密度为10⁵A/cm²以上。