CN109164400B - 基于自旋泵浦-逆自旋霍尔效应的微波磁场探测器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于自旋泵浦‑逆自旋霍尔效应的微波磁场探测器及探测方法，利用磁控溅射镀膜工艺和光刻工艺在3个SiO₂基片上分别制备完全相同的n个串联的条状Py/Ta复合双层薄膜，薄膜的长宽比值在200以上，薄膜内的微波感应电流被限制在薄膜的长边方向；3个基片彼此互相垂直，且3个基片的公共顶点与原点重合；对于每个SiO₂基片，都施加一个与薄膜长边垂直且从0开始增大的直流磁场，此磁场增大到某值a后，再从0开始增大到a，此过程一直循环，通过测量3个SiO₂基片上串联的条状薄膜两端的电压得到空间微波磁场在x、y、z方向上的分量h_x、h_y、h_z，本发明可以一次性测量空间微波磁场矢量，并且通过串联的方式增大逆自旋霍尔电压信号，大大提高了灵敏度。

Description

基于自旋泵浦-逆自旋霍尔效应的微波磁场探测器及方法

技术领域

本发明属于自旋电子学应用及电磁场探测的技术领域，具体为一种基于自旋泵浦-逆自旋霍尔效应的微波磁场矢量探测器。

背景技术

自旋整流效应(spin rectification effect,SRE)是指在铁磁材料中，伴随着铁磁共振中磁矩的周期性进动，磁电阻呈周期性变化，这一交变的电阻与微波感应电流耦合会产生一个直流光电压(V_SRE)。自旋泵浦效应(spin pumping)是指在FM(ferromagnetic)/NM(nonmagnetic)结构的复合层状薄膜结构中，铁磁材料在铁磁共振时产生磁矩进动，从而往非磁性金属内注入自旋流。又由于逆自旋霍尔效应(ISHE，inverse spin Hall effect)，即基于非磁性金属内自旋轨道耦合作用,自旋相反的电子向垂直于自旋流的方向偏转,从而在非磁性金属内，自旋电子的定向移动将自旋流转化为了电荷流。而这个逆自旋霍尔电压(V_ISHE)依赖于微波磁场，所以可以从其值中提取出微波磁场。

微波探测具有重要的意义，广泛应用于无线通信、军用雷达、医学成像、无损检测等方面。对于微波电场，已经发展到利用电场对电子设备里面电荷特性的影响来实现对其的探测。对于微波磁场的探测，传统的方法就是利用法拉第电磁感应定律，有很大的局限性。而更先进的方法就是利用超冷原子形成波色-爱因斯坦凝聚体，再通过其在外部磁场的作用下原子密度会发生变化的原理来实现对微波磁场的探测，但此方法的成本比较高。国外也有人利用自旋整流效应来检测微波磁场，但是需要大量旋转外加静态磁场的测量才能提取出微波磁场的值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：针对上述问题或不足，本发明利用自旋泵浦-逆自旋霍尔效应从FM/NM复合层状薄膜中的纯净逆自旋霍尔电压值中提取出微波磁场，实现空间微波磁场矢量的探测。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

一种基于自旋泵浦-逆自旋霍尔效应的微波磁场探测器，包括：利用磁控溅射镀膜工艺和光刻工艺在3个SiO₂基片上分别制备完全相同的n个串联的条状Py/Ta复合双层薄膜，这里n值越大，灵敏度越高，所述薄膜的长宽比值在200以上，薄膜内的微波感应电流被限制在薄膜的长边方向；其中xy平面和yz平面上的薄膜的长边方向平行于y轴，xz平面上的薄膜的长边方向平行于z轴；3个基片彼此互相垂直，且3个基片的公共顶点与原点重合；对于每个SiO₂基片，都施加一个与薄膜长边垂直且从0开始增大的直流磁场，此磁场增大到某值a后，再从0开始增大到a，此过程一直循环，这里的某值a根据所测微波磁场的频段进行设定，遵循基特尔公式；通过测量3个SiO₂基片上串联的条状薄膜两端的电压可以得到空间微波磁场在x、y、z方向上的分量h_x、h_y、h_z。

作为优选方式，微波磁场探测器中：测量3个SiO₂基片上串联的条状薄膜两端的电压分别得到V₁、V₂、V₃，其中V₁为xz平面上的电压，V₂为xy平面上电压，V₃为yz平面上的电压。因此联立公式(1)、(2)、(3)，就能求出空间微波磁场在x、y、z方向上的分量h_x、h_y、h_z。

为实现上述发明目的，本发明还提供一种基于自旋泵浦-逆自旋霍尔效应测量微波磁场的方法，技术方案如下：

利用磁控溅射镀膜工艺和光刻工艺在3个SiO₂基片上分别制备完全相同的n个串联的条状Py/Ta复合双层薄膜，这里n值越大，灵敏度越高，所述薄膜的长宽比值在200以上，薄膜内的微波感应电流被限制在薄膜的长边方向；其中xy平面和yz平面上的薄膜的长边方向平行于y轴，xz平面上的薄膜的长边方向平行于z轴；3个基片彼此互相垂直，且3个基片的公共顶点与原点重合；对于每个SiO₂基片，都施加一个与薄膜长边垂直且从0开始增大的直流磁场，此磁场增大到某值a后，再从0开始增大到a，此过程一直循环，这里的某值a根据所测微波磁场的频段进行设定，遵循基特尔公式；通过测量3个SiO₂基片上串联的条状薄膜两端的电压得到空间微波磁场在x、y、z方向上的分量h_x、h_y、h_z。

作为优选方式，所述测量方法中：测量3个SiO₂基片上串联的条状薄膜两端的电压分别得到V₁、V₂、V₃，其中V₁为xz平面上的电压，V₂为xy平面上电压，V₃为yz平面上的电压。因此联立公式(1)、(2)、(3)，就能求出空间微波磁场在x、y、z方向上的分量h_x、h_y、h_z。

本发明的有益效果为：本发明可以一次性测量空间微波磁场矢量，并且通过串联的方式增大逆自旋霍尔电压信号，大大提高了灵敏度，可以实现对弱微波磁场的探测。

附图说明

图1、薄膜的测量方向和磁场配置的示意图；

图2、空间微波磁场探测器的结构示意图。图中3个SiO₂基片完全相同且彼此互相垂直，3个基片的公共顶点与原点重合。并且xz平面上的基片绕x轴逆时针旋转90°后能与xy平面上的基片重合，xy平面上的基片绕y轴逆时针旋转90°后能与yz平面上的基片重合。基片上所有的白色线条都表示横向维度为40μm×8mm的Py/Ta复合双层薄膜，Py和Ta的厚度分别为20nm和10nm，线条之间的虚线表示将它们串联起来。对于每个SiO₂基片，都施加一个与薄膜长边垂直且从0开始增大的直流磁场

此磁场增大到某值a后，再从0开始增大到a，此过程一直循环，这里的某值a可以根据所测微波磁场的频段进行设定。V₁、V₂、V₃分别为xz平面、xy平面、yz平面上串联的条状复合双层薄膜两端的电压。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

实施例1

本实施例提供一种基于自旋泵浦-逆自旋霍尔效应的微波磁场探测器和一种基于自旋泵浦-逆自旋霍尔效应测量微波磁场的方法：利用磁控溅射镀膜工艺和光刻工艺在3个SiO₂基片上分别制备完全相同的n个串联的条状Py/Ta复合双层薄膜，这里n值越大，灵敏度越高，所述薄膜的长宽比值在200以上，薄膜内的微波感应电流被限制在薄膜的长边方向；其中xy平面和yz平面上的薄膜的长边方向平行于y轴，xz平面上的薄膜的长边方向平行于z轴，3个基片彼此互相垂直，且3个基片的公共顶点与原点重合。对于每个SiO₂基片，都施加一个与薄膜长边垂直且从0开始增大的直流磁场，此磁场增大到某值a后，再从0开始增大到a，此过程一直循环，这里的某值a根据所测微波的频段进行设定，遵循基特尔公式。具体的结构如图2所示。通过测量3个SiO₂基片上串联的条状薄膜两端的电压得到空间微波磁场在x、y、z方向上的分量h_x、h_y、h_z。

测量3个SiO₂基片上串联的条状薄膜两端的电压分别得到V₁、V₂、V₃，其中V₁为xz平面上的电压，V₂为xy平面上的电压，V₃为yz平面上的电压，因此联立公式(1)、(2)、(3)，就能求出空间微波磁场在x、y、z方向上的分量h_x、h_y、h_z，

其中，L为对称的洛伦兹线型，表示为

式中H、H_r、△H分别为外加直流磁场、铁磁共振场、铁磁共振线宽；A_x′y′、A_x′x′、A_y′y′为薄膜的有效磁导率张量分量的振幅，与薄膜的性质有关，可表示为A_x′y′＝-4πM_s/α(2H_r+4πM_s)，A_x′x′＝-γA_x′y′(H_r+4πM_s)/ω，A_y′y′＝-γA_x′y′H_r/ω，式中M_S为薄膜的饱和磁化强度，γ、α、ω分别为旋磁比、薄膜的吉尔伯特阻尼系数、微波角频率；

式中σ_F和σ_N分别为Py层和Ta层的电导率，d_F和d_N分别为Py层和Ta层的厚度，θ_SH和λ_sd分别为Ta的自旋霍尔角和自旋扩散长度，e和l分别为电子电荷和薄膜的长，g_↑↓为Py/Ta界面的自旋混合电导。

本实施例的原理及推导过程如下：

(1)对于每个条状复合双层薄膜，铁磁材料是Py(Ni₈₀Fe₂₀)，厚度为20nm，非磁性金属材料是Ta，厚度为10nm。通过配置特定的薄膜横向尺寸(40μm×8mm)将Py层中的微波感应电流(j_z)限制在薄膜的长边的方向，即薄膜的测量方向，如图1所示。图中l和w分别为薄膜的长和宽，φ_H是直流磁场

与z方向的夹角，h_x、h_y、h_z分别为空间微波磁场在x、y、z方向上的分量。

(2)自旋整流电压与Py层中的微波感应电流和外部微波磁场密切相关，从LLG方程出发，结合广义欧姆定律，可以推导出沿z方向测量的自旋整流电压的表达式为

V_SRE＝A_LL+A_DD， (4)

其中，L和D分别为对称的洛伦兹线型和反对称的洛伦兹线型，表示为

式中H、H_r、△H分别为外加直流磁场、铁磁共振场、铁磁共振线宽。A_L和A_D分别为对称线型和反对称线型的振幅，满足

式中Ф_x、Ф_y、Ф_z分别为x、y、z方向上微波磁场与Py层中微波感应电流的相位差，△R_AMR和M_S分别为薄膜的各向异性磁阻的变化量和饱和磁化强度，其中M_S可通过公式

得到，A_x′y′、A_x′x′、A_y′y′为薄膜的有效磁导率张量分量的振幅，与薄膜的性质有关，对于我们的薄膜，可以表示为A_x′y′＝-4πM_s/α(2H_r+4πM_s)，A_x′x′＝-γA_x′y′(H_r+4πM_s)/ω，A_y′y′＝-γA_x′y′H_r/ω，式中γ、α、ω分别为旋磁比、薄膜的吉尔伯特阻尼系数、微波角频率。

(3)逆自旋霍尔电压与Py层中的微波感应电流无关，但与外部微波磁场密切相关，从自旋泵浦效应和逆自旋霍尔效应的核心公式出发，可以推导出沿z方向测量的逆自旋霍尔电压的表达式为

式中e为电子电荷，σ_F和σ_N分别为Py层和Ta层的电导率，可以利用四探针法获得。d_F和d_N分别为Py层和Ta层的厚度。θ_SH和λ_sd分别为Ta的自旋霍尔角和自旋扩散长度，属于材料的特定参数，可以选用参考文献中的值。g_↑↓为Py/Ta界面的自旋混合电导，可以通过公式

得到。μ_B和g分别为玻尔磁子和朗德因子，α_F/N和α_F分别为Py/Ta复合双层薄膜和Py单层薄膜的吉尔伯特阻尼系数，可以通过公式

得到。

(4)从公式(4)和(5)可以看出h_x、h_y、h_z对自旋整流电压和逆自旋霍尔电压都有一定的贡献。最重要的是当φ_H为90°时，自旋整流电压为0，而逆自旋霍尔电压只是没有了h_x的贡献，还有h_y和h_z的贡献，于是逆自旋霍尔电压的表达式转变为

式中

可以发现，单从公式(6)不能分离出微波磁场在各方向上的分量。此时将图一整个沿着x轴逆时针旋转90°，旋转后的新坐标记为x₁、y₁、z₁，微波磁场在新坐标上的分量为

由于空间微波磁场不变，因此

同时A_x′y′、A_x′x′、A_y′y′是与薄膜性质有关的，所以旋转后不变，则测得的新逆自旋霍尔电压的表达式转变为

再接着沿z₁轴逆时针旋转90°，旋转后的新坐标记为x₂、y₂、z₂，微波磁场在新坐标上的分量为

则有

则此时测得的逆自旋霍尔电压的表达式转变为

因此联立公式(6)、(7)、(8)，就能求出空间微波磁场在x、y、z方向上的分量。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (4)

1.一种基于自旋泵浦-逆自旋霍尔效应的微波磁场探测器，其特征在于：利用磁控溅射镀膜工艺和光刻工艺在3个SiO₂基片上分别制备完全相同的n个串联的条状Py/Ta复合双层薄膜，所述薄膜的长宽比值在200以上，薄膜内的微波感应电流被限制在薄膜的长边方向；其中xy平面和yz平面上的薄膜的长边方向平行于y轴，xz平面上的薄膜的长边方向平行于z轴；3个基片彼此互相垂直，且3个基片的公共顶点与原点重合；对于每个SiO₂基片，都施加一个与薄膜长边垂直且从0开始增大的直流磁场，此磁场增大到某值a后，再从0开始增大到a，此过程一直循环，这里的某值a根据所测微波磁场的频段进行设定，遵循基特尔公式；通过测量3个SiO₂基片上串联的条状薄膜两端的电压得到空间微波磁场在x、y、z方向上的分量h_x、h_y、h_z。

2.根据权利要求1所述的基于自旋泵浦-逆自旋霍尔效应的微波磁场探测器，其特征在于：测量3个SiO₂基片上串联的条状薄膜两端的电压分别得到V₁、V₂、V₃，其中V₁为xz平面上的电压，V₂为xy平面上的电压，V₃为yz平面上的电压，因此联立公式(1)、(2)、(3)，就能求出空间微波磁场在x、y、z方向上的分量h_x、h_y、h_z，

其中，L为对称的洛伦兹线型，表示为

式中H、H_r、△H分别为外加直流磁场、铁磁共振场、铁磁共振线宽；A_x′y′、A_x′x′、A_y′y′为薄膜的有效磁导率张量分量的振幅，与薄膜的性质有关，可表示为A_x′y′＝-4πM_s/α(2H_r+4πM_s)，A_x′x′＝-γA_x′y′(H_r+4πM_s)/ω，A_y′y′＝-γA_x′y′H_r/ω，式中M_S为薄膜的饱和磁化强度，γ、α、ω分别为旋磁比、薄膜的吉尔伯特阻尼系数、微波角频率；

式中σ_F和σ_N分别为Py层和Ta层的电导率，d_F和d_N分别为Py层和Ta层的厚度，θ_SH和λ_sd分别为Ta的自旋霍尔角和自旋扩散长度，e和l分别为电子电荷和薄膜的长，g_↑↓为Py/Ta界面的自旋混合电导。

3.一种基于自旋泵浦-逆自旋霍尔效应测量微波磁场的方法，其特征在于：利用磁控溅射镀膜工艺和光刻工艺在3个SiO₂基片上分别制备完全相同的n个串联的条状Py/Ta复合双层薄膜，所述薄膜的长宽比值在200以上，薄膜内的微波感应电流被限制在薄膜的长边方向；其中xy平面和yz平面上的薄膜的长边方向平行于y轴，xz平面上的薄膜的长边方向平行于z轴；3个基片彼此互相垂直，且3个基片的公共顶点与原点重合；对于每个SiO₂基片，都施加一个与薄膜长边垂直且从0开始增大的直流磁场，此磁场增大到某值a后，再从0开始增大到a，此过程一直循环，这里的某值a根据所测微波磁场的频段进行设定，遵循基特尔公式；通过测量3个SiO₂基片上串联的条状薄膜两端的电压得到空间微波磁场在x、y、z方向上的分量h_x、h_y、h_z。

4.根据权利要求3所述的基于自旋泵浦-逆自旋霍尔效应测量微波磁场的方法，其特征在于：测量3个SiO₂基片上串联的条状薄膜两端的电压分别得到V₁、V₂、V₃，其中V₁为xz平面上的电压，V₂为xy平面上电压，V₃为yz平面上的电压，因此联立公式(1)、(2)、(3)，就能求出空间微波磁场在x、y、z方向上的分量h_x、h_y、h_z，

其中，L为对称的洛伦兹线型，表示为

式中H、H_r、△H分别为外加直流磁场、铁磁共振场、铁磁共振线宽；A_x′y′、A_x′x′、A_y′y′为薄膜的有效磁导率张量分量的振幅，与薄膜的性质有关，可表示为A_x′y′＝-4πM_s/α(2H_r+4πM_s)，A_x′x′＝-γA_x′y′(H_r+4πM_s)/ω，A_y′y′＝-γA_x′y′H_r/ω，式中M_S为薄膜的饱和磁化强度，γ、α、ω分别为旋磁比、薄膜的吉尔伯特阻尼系数、微波角频率；

式中σ_F和σ_N分别为Py层和Ta层的电导率，d_F和d_N分别为Py层和Ta层的厚度，θ_SH和λ_sd分别为Ta的自旋霍尔角和自旋扩散长度，e和l分别为电子电荷和薄膜的长，g_↑↓为Py/Ta界面的自旋混合电导。

Images