CN106532220B - 一种基于Skyrmions的自旋转移矩纳米振荡器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于Skyrmions的自旋转移矩纳米振荡器，包括极化电流发生层和多层纳米磁盘；多层纳米磁盘从上层到底层依次含有：第一固定层；第一隔离层；第一自由层；第二隔离层；第二自由层；第三隔离层以及第二固定层；第一固定层、第二固定层、第一自由层和第二自由层的磁矩方向均与多层纳米磁盘所在平面垂直；第一自由层和第二自由层的磁矩方向均与多层纳米磁盘所在平面平行。本发明提出了一种新型的纳米振荡器结构，通过优化隔离层的厚度，满足IEC在0~0.01mJ/m2范围内，可以进一步提高STNO的输出功率。

Description

一种基于Skyrmions的自旋转移矩纳米振荡器
技术领域
本发明涉及自旋输运器件技术领域，具体涉及到一种基于Skyrmions的自旋转移矩纳米振荡器，基于特殊磁性粒子-Skyrmions，利用极小电流即可调控其在磁性轨道中的进动，进而产生持续稳定的微波振荡。
背景技术
近年来，自旋电子学以其丰富的物理内涵和广阔的器件应用前景已成为凝聚态物理的热点领域。1996年，科学家从理论上预言了一种纳米尺度下的新的自旋相关效应--自旋转移效应，为这一领域注入了新的活力。通过注入的自旋极化电流与铁磁层局域电子之间的自旋转移扭矩(spin transfer torque)作用，可使铁磁层的磁矩产生周期性改变，从而导致器件的磁电阻随时间变化，产生交变电压，得到受电流调制的频率稳定的微波功率输出。利用该效应构建的器件有望用作高频微波发射源和微波谐振器，具有结构简单、体积小，对温度不敏感，电路组成简单等优点，具有诱人的应用前景。目前文献报道的基于自旋转移效应的微波振荡器的调制范围可以达到1～200GHz，品质因数可达4000以上[PRIBIAVS，et al.“Magnetic vortex oscillator driven by d.c.spin-polarized current”NaturePhysics，2007，3(7)：498-503.]，但是在实用化之前，还有一些关键问题尚待解决。首先，微波发射功率较低，只有纳瓦量级，尚不能满足实用的要求；其次，产生微波发射的效率太低，需要较大的注入电流和外加磁场。
自旋转移矩纳米振荡器(STNO)的基本原理为自旋极化电流作用在磁性材料上，当电流密度适当的时候，磁矩会发生稳定的振荡。未被极化的电流被磁性固定层PL转变为极化电流，流过非磁性层(NM)之后到达第二个铁磁性层(自由层FL)，自旋极化电流能够把自旋角动量转移给此处的磁矩，使得自由层的磁矩以接近该层材料的铁磁共振频率进动。如果输入电流密度大于给定的电流密度，自旋角动量转移相当于自旋磁矩作用于自由层的磁化强度作为一种能量反馈来诱导一个持续稳定的振荡。自旋扭矩的幅度取决于自旋极化电流的密度，控制进动幅度和频率，进而可以形成电流控制振荡器。
关于Skyrmions的研究，从最初的Bogdanov和Yablonskii在理论上预言Skyrmions的存在至Dai等人研究发现Skyrmions能够存在于没有DMI作用的三明治体系中，再到Sun等人在亚微米圆盘阵列中发现Skyrmions的稳定结构，人们对Skyrmions的研究不断深入。
现在，科研人员又将目光转向Skyrmions在长磁轨道的运动状态。由于Skyrmions具有尺寸小，驱动运动电流小，存密度高及具有的拓扑保护等特性，其将对推动新一代电流驱动磁性存储、逻辑器件、微波振荡器等的发展起到关键性作用。目前，基于Skyrmions的自旋转移矩纳米振荡器仍处于起步阶段，其中提高输出功率是一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于Skyrmions的自旋转移矩纳米振荡器，可以提高现有纳米振荡器的输出功率。
为达上述目的，本发明的一个实施例中提供了一种基于Skyrmions的自旋转移矩纳米振荡器，包括极化电流发生层以及与极化电流发生层配合的多层纳米磁盘；极化电流发生层产生的自旋转极化电流垂直于多层纳米磁盘所形成的平面；
多层纳米磁盘从上层到底层依次含有：
形成于极化电流发生层下方的第一固定层；
形成于第一固定层下方的第一隔离层；
形成于第一隔离层下方的第一自由层；
形成于第一自由层下方的第二隔离层；
形成于第二隔离层下方的第二自由层；
形成于第二自由层下方的第三隔离层；以及
形成于第三隔离层下方的第二固定层；
第一固定层、第二固定层、第一自由层的Skyrmions核区和第二自由层的Skyrmions核区的磁矩方向均与多层纳米磁盘所在平面垂直；第一自由层和第二自由层的磁矩方向均与多层纳米磁盘所在平面平行。
本发明的一个优化方案中，第一固定层上配置有探测电极。
本发明的一个优化方案中，多层纳米磁盘的半径为50nm。
本发明的一个优化方案中，极化电流发生层的半径为5nm。
本发明的一个优化方案中，第一自由层和第二自由层的厚度均为1nm。
本发明的一个优化方案中，第一隔离层、第二隔离层和第三隔离层的厚度均为8nm。
本发明的一个优化方案中，第一隔离层、第二隔离层和第三隔离层均为非磁性金属材料。
本发明的一个优化方案中，第一自由层、第二自由层、第一固定层以及第二固定层均为具有磁性的合金和/或化合物。
本发明的一个优化方案中，磁性的合金为钴/铂合金。
本发明的一个优化方案中，IEC不大于0.01mJ/m2。
综上所述，本发明具有以下优点：
本发明提出了一种新型的纳米振荡器结构，通过优化隔离层的厚度，满足IEC在0～0.01mJ/m2范围内，可以进一步提高STNO的输出功率。
附图说明
图1为双自由层自旋转移矩纳米振荡器结构示意图；
图2为提高输出功率原理分析图；
图3为双自由层中Skyrmions垂直对称情况下进动图；
图4为双自由层中Skyrmions非垂直对称情况下的进动与层间交换耦合(IEC)的关系图；
图5为不同层间交换耦合作用下Skyrmions进动示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种基于Skyrmions的自旋转移矩纳米振荡器，包括极化电流发生层以及与极化电流发生层配合的多层纳米磁盘；极化电流发生层产生的自旋转极化电流垂直于多层纳米磁盘所形成的平面。
多层纳米磁盘的半径优选为50nm，极化电流发生层的半径为5nm。多层纳米磁盘从上层到底层依次含有：形成于极化电流发生层下方的第一固定层；形成于第一固定层下方的第一隔离层；形成于第一隔离层下方的第一自由层；形成于第一自由层下方的第二隔离层；形成于第二隔离层下方的第二自由层；形成于第二自由层下方的第三隔离层以及形成于第三隔离层下方的第二固定层。
第一固定层、第二固定层、第一自由层Skyrmions核区和第二自由层Skyrmions核区的磁矩方向均与多层纳米磁盘所在平面垂直。第一自由层和第二自由层的磁矩方向均与多层纳米磁盘所在平面平行。
第一固定层上配置有探测电极可以检测第一固定层的电信号，第一自由层和第二自由层的厚度均为1nm，第一隔离层、第二隔离层和第三隔离层的厚度均为8nm。
第一隔离层、第二隔离层和第三隔离层均为非磁性金属材料。第一自由层、第二自由层、第一固定层以及第二固定层均为具有磁性的合金和/或化合物，例如可以优选磁性合金为钴/铂合金。
本发明的基本原理结构分析如下：
参考图1，图1(a)所示为单自由层single free layer结构，该结构包括一个极化电流发生模块MTJ、一个自由层、一个隔离层Space、一个固定层Fixed layer。本发明设计的双自由层结构如图1(b)所示，包括一个MTJ、三个固定层、两个自由层、两个隔离层以及附着在最上层固定层的探测电极。多层纳米磁盘的半径为50nm，极化电流的施加半径为5nm，自由层和隔离层的厚度分别为1nm和8nm。
本发明自旋转移矩纳米振荡器的输出功率可以表示为：
其中：
ΔR是振荡系数，ΔR的峰峰值等于(RAP-RP)，RP,RAP分别为反平行和平行磁矩对应的阻值；R是介于RP,RAP之间的直流电阻，β是匹配系数，IDC是注入极化电流值。
从公式(1)中，增加ΔR是提高输出功率的最直接方式。单自由层结构中，ΔR＝RAP-RP，而在图1(b)中，ΔR可以提高一倍。参考图2(a)，双自由层中的Skyrmions处于垂直对称时，当Skyrmions运动至电极区域，则RH＝RAP1+RP1+RAP2。当Skyrmions离开电极区域，参考图2(b)，RL＝RP2+RP3+RP4，因为RAP1＝RAP2＝RAP,RP2＝RP4,RP1＝RP3，因此ΔR＝RH-RL＝2(RAP-RP)。
本发明的发明人发现，当双自由层中的Skyrmions始终保持垂直对称且同步进动，可以提高纳米振荡器STNO的输出功率。发明人还发现层间耦合作用是影响Skyrmions始终保持垂直对称且同步进动这一状态的主要因素。
本发明分析了层间耦合作用对Skyrmions进动的影响，首先分析Skyrmions的初始状态为垂直对称的情况，如图3(a)。该状态下，对特定区域的磁矩进行采样分析，如图3.bc所示。此时层间耦合作用对Skyrmions进动无明显影响。
Skyrmions的初始状态为非垂直对称的情况时，如图4(a)。当IEC为0mJ/m2时，上下两自由层中的Skyrmions可以做非同步稳定进动，如图4(b)和图5(e)。
当IEC为0.01mJ/m2时，进动初期的Skyrmions会出现小角度的旋转调整，如图4(c)和图5(a)，并最终趋于同步状态，如图4(c)所示。
当IEC大于0.01mJ/m2时，Skyrmions保持垂直对称且同步的状态会被破坏，因此当IEC小于0.01mJ/m2时，旋转调整的时间与IEC成正相关，如图4(d)、图5(b)、(c)、(d)所示。
此外，对整个过程中系统的总能量进行分析如图4(d)说说，可以看出系统总能量的变化与IEC的能量变化是相吻合的，即IEC是影响双自由层Skyrmions进动的最主要因素。
本发明的IEC(interlayer exchange coupling)表示层间交换耦合作用，在本专利中以层间交换耦合系数表示，单位为mJ/m2。以Co/Cu/Co为例，IEC与隔离层Cu的厚度成振荡衰减函数关系，即IEC的数值随隔离层厚度的增加成振荡递减趋势，如若满足IEC在0～0.01mJ/m2范围内，故取隔离层厚度均为8nm左右，优选8nm。当隔离层厚度保持在该厚度时，IEC可以保持在0～0.01mJ/m2范围内，进而使得Skyrmions最终趋于同步状态，当Skyrmions达到同步状态保持垂直后，可以促使输出功率增加。
综上所述，本发明的结构选取合适的隔离层的厚度，隔离层厚度均为8nm左右，即满足IEC在0～0.01mJ/m2范围内，双自由层Skyrmions即可做同步稳定进动，该结构对进一步提高自旋转移矩纳米振荡器STNO的输出功率具有促进作用。在同样的情况下，单自由层不能够实现保持垂直并同步稳定进动，使得输出功率并未提高。
虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于Skyrmions的自旋转移矩纳米振荡器，其特征在于：包括极化电流发生层以及与极化电流发生层配合的多层纳米磁盘；所述极化电流发生层产生的自旋转极化电流垂直于多层纳米磁盘所形成的平面；
所述多层纳米磁盘从上层到底层依次含有：
形成于极化电流发生层下方的第一固定层；
形成于第一固定层下方的第一隔离层；
形成于第一隔离层下方的第一自由层；
形成于第一自由层下方的第二隔离层；
形成于第二隔离层下方的第二自由层；
形成于第二自由层下方的第三隔离层；以及
形成于第三隔离层下方的第二固定层；
所述第一固定层、第二固定层、第一自由层Skyrmions核区和第二自由层Skyrmions核区的磁矩方向均与多层纳米磁盘所在平面垂直；所述第一自由层和第二自由层的磁矩方向均与多层纳米磁盘所在平面平行；
所述第一隔离层、第二隔离层和第三隔离层均为非磁性金属材料；所述第一自由层、第二自由层、第一固定层以及第二固定层均为具有磁性的合金和/或化合物；双自由层中的Skyrmions核区始终保持垂直对称且同步进动。
2.如权利要求1所述的自旋转移矩纳米振荡器，其特征在于：所述第一固定层上配置有探测电极。
3.如权利要求1所述的自旋转移矩纳米振荡器，其特征在于：所述多层纳米磁盘的半径为50nm。
4.如权利要求1所述的自旋转移矩纳米振荡器，其特征在于：所述极化电流发生层的半径为5nm。
5.如权利要求1所述的自旋转移矩纳米振荡器，其特征在于：所述第一自由层和第二自由层的厚度均为1nm。
6.如权利要求1所述的自旋转移矩纳米振荡器，其特征在于：所述第一隔离层、第二隔离层和第三隔离层的厚度均为8nm。
7.如权利要求1所述的自旋转移矩纳米振荡器，其特征在于：所述磁性的合金为钴/铂合金。
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