CN109256656B - 自旋矩纳米振荡器及基于该振荡器的太赫兹信号发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了自旋矩纳米振荡器，包括自上至下依次布置的合成反铁磁结构、非磁性间隔层、磁性固定层；磁性固定层，其接收非自旋极化的电流，转化并输出为自旋极化的电流；合成反铁磁结构，其接收来自磁性固定层的自旋极化电流输出，受自旋转移矩效应而产生磁矩进动，进而输出振荡信号；非磁性间隔层，其位于磁性固定层与合成反铁磁结构之间，用于隔开两磁性层之间的磁耦合。本申请的太赫兹信号发生器在通以合适大小的电流且不需要外加磁场的情况下，即可输出THz信号。

Description

自旋矩纳米振荡器及基于该振荡器的太赫兹信号发生器

技术领域

本公开涉及太赫兹信号技术领域，特别是涉及自旋矩纳米振荡器及基于该振荡器的太赫兹信号发生器。

背景技术

太赫兹(Terahertz,THz)波，即频率为100GHz-10THz范围的电磁波，其对应波长为3mm到30um。在电磁频谱中，介于微波区与红外之间；从能量上看，介于光子与电子之间。因此，太赫兹频段处于宏观理论向微观量子理论的过渡区，电子学和光子学的交叉区域，其位置的特殊性决定了其丰富的科学内涵和广阔的应用前景。随着太赫兹技术的研究与发展，其在国防、航空航天、生物医药、通信、医学成像、无损检测等领域都展现出巨大的应用潜力。但是，太赫兹信号源一直是制约太赫兹技术发展的一个重要因素。

产生太赫兹信号的方式主要有两大类。

一类基于光学方法，比如利用P型锗激光器、量子级联激光器以及各种太赫兹气体激光器等各类激光器直接产生太赫兹信号；或者是与超短激光脉冲相关的光电导、光整流、光混频、光差频以及激光诱导空气(四波混频模型)等方法也可以产生太赫兹信号；另外，同步辐射光源也可以产生太赫兹辐射。

另一类是基于电子学方法的，比如利用自由电子激光器可产生高功率、高效率和工作频率覆盖整个太赫兹频段而且连续可调的太赫兹信号；利用行波管或返波管也可以产生100GHz到1THz的太赫兹信号；另外还有一些新的研究热点，比如利用交流约瑟夫森效应，超导约瑟夫森结也可以用来制造太赫兹信号源。

发明人发现上述所有方法都存在或多或少的弊端，它们有的结构复杂、设备庞大而昂贵；有的需要高电压和高磁场，耗能巨大；有的则需要极低温的条件来实现超导效应，不利于实际应用。除了上述可直接产生太赫兹信号的诸多方式以外，也存在一些利用倍频电路将晶体振荡器或纳米自旋矩振荡器产生的较低频率(10⁷Hz-10¹⁰Hz)信号倍频到太赫兹频率的方式。但是这种太赫兹信号源也存在倍频电路复杂、功率过低、信噪比差等显而易见的缺点。

可以说，正是因为现行太赫兹信号源的诸种弊端严重制约了太赫兹技术的发展，开发新的可实用的太赫兹信号源具有极其重大的研究意义和实用价值。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本公开的目的之一是提供了一种自旋矩纳米振荡器，在通以合适大小的电流且不需要外加磁场的情况下，即可输出THz信号。

为了实现上述目的，本申请采用以下技术方案：

自旋矩纳米振荡器，包括自上至下依次布置的合成反铁磁结构、非磁性间隔层、磁性固定层；

磁性固定层，其接收非自旋极化的电流，转化并输出为自旋极化的电流；合成反铁磁结构，其接收来自磁性固定层的自旋极化电流输出，受自旋转移矩效应而产生磁矩进动，进而输出振荡信号；非磁性间隔层，其位于磁性固定层与合成反铁磁结构之间，用于隔开两磁性层之间的磁耦合。

进一步的，合成反铁磁结构包括第一磁性自由层、第二磁性自由层及位于两者之间的中间层，两磁性自由层呈反铁磁耦合状态，在中间层的作用下两磁性自由层层磁矩可自发呈反方向排列。

进一步的，所述两磁性自由层均为面内磁化。

进一步的，所述两磁性自由层均具有垂直磁各向异性，其磁化易轴方向为面外方向。

进一步的，自旋矩纳米振荡器还包括上电极层及下电极层，上电极层位于合成反铁磁结构上面，下电极层位于磁性固定层下面，其引入直流电流并输出太赫兹振荡信号。

进一步的，第一磁性自由层靠近非磁性间隔层，第一磁性自由层厚度小于第二磁性自由层的厚度；或

第一磁性自由层的总磁矩小于第二磁性自由层的总磁矩。

进一步的，上电极层、下电极层由金属材料Ta、Cr、Ru、Cu、Au、Pt或者它们的氮化物组成。

进一步的，磁性固定层由反铁磁材料直接钉扎铁磁材料Fe、Co、Ni或它们的合金以及稀土元素和它们的合金所组成；或

磁性固定层由反铁磁材料钉扎合成反铁磁结构所组成；或

磁性固定层由具有较大矫顽力的硬磁材料组成。

上述反铁磁材料包括但不限于IrMn、PtMn、AuMn、FeMn，合成反铁磁结构的材料包括但不限于Co、Ru、Co。

进一步的，所述第一磁性自由层、第二磁性自由层由Fe、Co、Ni或它们的合金以及稀土元素和它们的合金组成；非磁性中间层由非磁性金属材料Ru、Cu、Cr、Rh、Ir组成。

进一步的，所述非磁性间隔层由非磁性金属材料组成；或

非磁性间隔层由非磁性绝缘材料组成。

上述非磁性金属材料包括但不限于Cu、Ag，非磁性绝缘材料包括但不限于MgO、AlO_x。

本申请的第二目的是公开了自旋矩纳米振荡器阵列，该阵列由多个自旋矩纳米振荡器构成，自旋矩纳米振荡器之间信号耦合，输出增强的太赫兹信号。

本申请的第三目的是公开了太赫兹信号发生器，包括自旋矩纳米振荡器及外接电路，所述外接电路对自旋矩纳米振荡器提供电动势并对自旋矩纳米振荡器所输出的太赫兹频率的信号进行放大处理。

本申请的第四目的是公开了太赫兹信号发生器的信号产生方法，包括：

给自旋矩纳米振荡器提供所需的电动势时，非自旋极化的电流流经磁性固定层后即变为自旋极化的电流，其自旋极化方向与磁性固定层磁化方向相同；

合成反铁磁结构中两层磁性自由层通过中间层做反铁磁耦合，合成反铁磁结构中的下层磁性自由层与自旋极化电流之间发生自旋转移矩效应，同时受上层磁性自由层的强耦合场作用，下层磁性自由层磁矩做太赫兹频率进动，结合磁电阻效应，实现太赫兹频率的信号输出；

太赫兹频率的信号输出进行功率放大并输出。

本发明涉及的一种太赫兹信号发生器，利用合成反铁磁结构作为自旋矩纳米振荡器的磁性自由层，从而实现太赫兹频段的信号输出。所述合成反铁磁结构，其中非磁性中间层为厚度不超过1nm的金属材料，使两铁磁层之间具有很强的反铁磁耦合作用。当自旋极化电流流经所述合成反铁磁结构时，在自旋转移矩效应和反铁磁耦合作用的双重影响下，可将铁磁层中磁矩进动频率由微波频段激发到太赫兹频段。进而结合磁电阻效应以及外接电路中对太赫兹信号的过滤和功率放大等操作，即可得到稳定可靠的太赫兹信号输出。该太赫兹信号发生器具有结构简单、尺寸小、集成度高、频率连续可调、与现行硅半导体工艺相兼容、无需倍频电路、无需外磁场即可直接产生太赫兹信号等优点。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

1、本申请的太赫兹信号发生器在通以合适大小的电流且不需要外加磁场的情况下，即可输出THz信号。

2、本申请的太赫兹信号发生器具有结构简单、尺寸小、集成度高、频率连续可调、与现行硅半导体工艺相兼容、无需倍频电路、无需外磁场即可直接产生太赫兹信号等优点

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本申请一些实施例子的太赫兹信号发生器的结构示意图；

图2是图1本申请一些实施例子的中核心器件自旋矩纳米振荡器的结构示意图；

图3是本申请一些实施例子的自旋矩纳米振荡器的另一种结构设计示意图；

图4是对本申请一些实施例子的Co/Ru/Co结构中振荡频率与反铁磁耦合强度以及电流密度依赖关系的模拟结果；

图中，10、自旋矩纳米振荡器，11、直流电源，12、高频过滤电感，13、高通滤波器，14、功率放大器；

100、下电极，101、磁性固定层，102、非磁性间隔层，103、第一磁性自由层，104、中间层，105、第二磁性自由层，106、上电极。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本申请的一种典型的实施方式中，如图2所示，公开了一种自旋矩纳米振荡器，包括下电极100、磁性固定层101、第一磁性自由层103和第二磁性自由层105、非磁性间隔层102和中间层104、以及上电极106。所述磁性层皆为面内磁化，第一磁性自由层103和第二磁性自由层105通过RKKY相互作用呈反铁磁耦合，其耦合强度J_ex与中间层104的材料种类及厚度等因素有关。当选择合适的中间层材料种类与厚度时，第一磁性自由层103和第二磁性自由层105两磁性层磁矩可自发呈反方向排列，此时第一磁性自由层103、中间层104、第二磁性自由层105三层所组成的三明治结构又被称为合成反铁磁结构。另外需要特别指出的是，在本实施例中，第一磁性自由层层厚度要小于第二磁性自由层105层厚度，或者说第一磁性自由层103层总磁矩要小于第二磁性自由层105层总磁矩，因此，所述合成反铁磁结构也可称为合成亚铁磁结构。

在上述实施例子中，上下电极层，其引入直流电流并输出太赫兹振荡信号；磁性固定层，其接收非自旋极化的电流，转化并输出为自旋极化的电流；由“第一磁性自由层、非磁性中间层、第二磁性自由层”构成的合成反铁磁结构，其接收来自磁性固定层的自旋极化电流输出，受自旋转移矩效应而产生磁矩进动，进而输出振荡信号；非磁性间隔层，其位于磁性固定层与合成反铁磁结构之间，用于隔开两磁性层之间的磁耦合。

对于磁性固定层101，其作用是用来产生自旋极化的电流，一般优选地选择反铁磁层顶扎铁磁层的方式来实现。此时，下电极100作用不只是用作电极，还需要提供合适的晶向作为反铁磁层的种子层，以此来诱导沉积出合适的反铁磁层。在一些实施例子中，考虑当前常用的反铁磁材料主要有IrMn、PtMn、AuMn、FeMn、NiMn等Mn基合金以及金属Cr及其少量合金等。最后的钉扎可以通过加场沉积或沉积后加场退火至Neel温度以上继而加场降温等方式来实现。通常这种反铁磁层直接钉扎铁磁层的方式可以实现几百奥斯特的钉扎场。

另外，也可以通过反铁磁层钉扎合成反铁磁层的方式来实现更高的钉扎场。以IrMn8/CoFe2.5/Ru0.85/CoFeB3(数字为厚度，单位为纳米)为例，可以实现千奥斯特级的钉扎场。磁性固定层的实现包括但不限于上述两种方式，比如也可以利用FePt、CoCrPt、CoSm等具有较大矫顽力的硬磁材料来实现其提供自旋极化电流的目的。

上下电极层由Ta、Cr、Ru、Cu、Au、Pt等金属材料或者它们的氮化物组成。上下电极层结构可以相同，也可以并不相同，在材料组成上，上下电极层一般是几种技术材料同时存在。比如下电极为Ta/CuN/Ru，上电极为Ta/Ru/Au。

在一些示例中，磁性固定层的实现包括但不限于以下三种方式：1.反铁磁层直接钉扎铁磁层，具体由IrMn、PtMn、AuMn、FeMn等反铁磁材料直接钉扎Fe、Co、Ni或它们的合金以及稀土元素和它们的合金等铁磁材料所组成；2.反铁磁层钉扎合成反铁磁结构，具体由IrMn、PtMn、AuMn、FeMn等反铁磁材料钉扎Co/Ru/Co等类似的合成反铁磁结构所组成；3.由具有较大矫顽力的硬磁材料组成，具体利用FePt、CoCrPt、CoSm等具有较大矫顽力的硬磁材料。

在一些示例中，磁性自由层中铁磁层由Fe、Co、Ni或它们的合金以及稀土元素和它们的合金等铁磁材料组成；非磁性中间层厚度不大于1nm，非磁性中间层由Ru、Cu、Cr、Rh、Ir等非磁性金属材料组成。两磁性层结构可以相同，也可以不相同。如分别为：CoFeB/Ru/CoFeB,CoFeB/Ru/NiFe等。

在一些示例中，非磁性间隔层可以由Cu、Ag非磁性金属材料组成，也可以由MgO、AlO_x等非磁性绝缘材料组成。

当非磁性间隔层为非磁性导电材料时，其厚度为2-5nm；当所述非磁性间隔层为非磁性绝缘材料时，其厚度为0.8-1.2nm。

在一些实施例子中，当选用Cu、Ru、Ag、Al等非磁性导电材料作为间隔层102时，101、102、103三层结构被称为磁自旋阀。此时间隔层102一般选择包括但不限于Cu、Ru等自旋扩散长度比较大的材料，其厚度不能太薄以尽量避免磁耦合问题，也不能太厚以避免自旋极化电流的损耗，所以其厚度一般为2-5nm。当间隔层102选择MgO、GaOx、AlOx等非磁性绝缘材料时，101、102、103三层结构被称为磁隧道结。此时102层厚度一般为0.8-1.2nm以实现较低的结电阻从而得以通过高密度的电流。

本申请的另一种典型的实施方式中，如图3所示，给出了自旋矩纳米振荡器的另一种设计构型。其与图2设计的区别在于：图2中合成反铁磁层中两铁磁层为面内磁化；但图3中合成反铁磁层中两铁磁层都具有垂直磁各向异性，其磁化易轴方向为面外方向。在图3设计构型中，相同的进动角度有望得到更高的信号功率。

自旋矩纳米振荡器的设计构型包括但不限于以上两种，在此不再一一列举，其根本在于具有磁性固定层、磁性自由层以及非磁性间隔层的磁自旋阀结构或磁隧道结结构，并输出微波信号。而本发明的核心在于利用具有强耦合的合成反铁磁结构来替代单一磁性层作为磁性自由层，在通以合适大小的电流且不需要外加磁场的情况下，即可输出THz信号。

本申请的再一种典型的实施方式中，如图1所示，公开了太赫兹信号发生器，包括自旋矩纳米振荡器10、直流电源11、高频过滤电感12、高通滤波器13以及功率放大器14等。自旋矩纳米振荡器采用前述实施例子中的具体结构即可。

直流电源,可连续调节所输出电流或电压的大小，从而实现太赫兹信号的连续调控。

自旋矩纳米振荡器以及外接电路可依附于抛光的硅衬底之上，也可依附于其他表面足够平整的刚性或柔性基底之上。

本申请的又一种典型的实施方式中，自旋矩纳米振荡器加工成阵列形式，各自旋矩纳米振荡器以网络格点形式构成阵列。各振荡器之间为并联关系，且相邻两振荡器间距为微纳米尺度。可以实现多个振荡器的信号耦合，从而大幅度增强所输出的太赫兹信号。

本申请的又一种典型的实施方式中，公开了太赫兹信号发生器的信号产生方法，当由可调控直流电源11提供给自旋矩纳米振荡器10一个合适的电动势时，下电极100中非自旋极化的电流流经磁性固定层101后即变为自旋极化的电流，其自旋极化方向与磁性固定层101层磁化方向相同。暂不考虑第二磁性自由层105的影响，当所述自旋极化电流流经非磁性间隔层102进入第一磁性自由层103时，由于存在自旋转移矩效应，会使得第一磁性自由层103层磁矩大角度进动，进而使得第一磁性自由层103层磁矩有与磁性固定层101层磁矩方向相同的趋势。当第一磁性自由层103层磁矩绕有效场做大角度进动时，其与磁性固定层101层磁矩之间夹角做周期性变化，由于巨磁电阻效应或隧穿磁电阻效应的存在，此磁性固定层101、非磁性间隔层102、第一磁性自由层103三层膜结构的电阻也做周期性变化，进而会产生一个高频振荡信号。这也是自旋矩纳米微波振荡器的工作原理，其振荡频率一般在几个GHz到几十GHz之间，并不能到达THz的范围。然而，当考虑第二磁性自由层105的存在时，由于其通过104与第一磁性自由层103做反铁磁耦合，从而为第一磁性自由层103提供了一个巨大的耦合场，并且由于自旋极化电流与第二磁性自由层105之间也发生自旋转移矩效应进而影响到第一磁性自由层103磁矩进动过程，从而便可实现更高频率乃至THz频率的信号输出。

当产生的THz信号经由上电极导出时，由于高频滤波电感12的存在，THz信号只能经由高通滤波器13导出。然而，由于自旋矩纳米振荡器产生的THz信号十分微弱，一般还需要利用一级或多级功率放大器14对THz信号进行功率放大以达到实用的目的。另外，为实现高功率的太赫兹信号输出，也可将所述自旋矩纳米振荡器加工成阵列模式。由于单个振荡器的尺寸很小，即使在1cm×1cm大小的尺寸上，也可以排列数以万计的振荡器，此时，其输出功率将相当可观。

图4示出了利用磁动力学方法对Co/Ru/Co合成反铁磁层作为自旋阀结构中磁性自由层的模拟结果。设定103层Co的厚度为2nm，105层Co的厚度为8nm，两Co层皆为面内磁化，它们之间的耦合强度J_ex分别为-5×10^-3J/m²、-3×10^-3J/m²和-1.5×10^-3J/m²，便可得到不同的J_ex情况下振荡频率随电流密度的变化关系。如图4所示，当103、105两磁性层间耦合强度足够强，并且所通直流电流密度足够大时，就可以得到可靠的THz信号输出。而且，当耦合强度J_ex确定时，振荡频率与电流密度之间呈非线性关系，但是依然可以通过改变电流密度的大小来实现THz信号的连续调控。

耦合强度J_ex是由中间层104的材料种类和厚度等因素所决定的，一般只有少数非磁性金属材料在很薄的情况下才可以实现所需的较高强度耦合，例如包括但不限于Ru、Cu、Cr、Rh、Ir等在不厚于1nm的情况下才可能实现所需耦合强度。目前看来，以Ru作为合成反铁磁结构中间层的应用最为广泛，其厚度在0.5nm附近时即可实现-5×10^-3J/m²的耦合强度。然而，超薄金属中间层的沉积生长是本发明得以施行的难点之一，为了保证超薄金属层的生长质量，要求其下层多层膜以及下电极非常平整，一般可以通过金属氮化沉积来实现。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.自旋矩纳米振荡器，其特征是，包括自上至下依次布置的合成反铁磁结构、非磁性间隔层、磁性固定层；

磁性固定层，其接收非自旋极化的电流，转化并输出为自旋极化的电流；合成反铁磁结构，其接收来自磁性固定层的自旋极化电流输出，受自旋转移矩效应而产生磁矩进动，进而输出振荡信号；非磁性间隔层，其位于磁性固定层与合成反铁磁结构之间，用于隔开两磁性层之间的磁耦合；

合成反铁磁结构包括第一磁性自由层、第二磁性自由层及位于两者之间的中间层，两磁性自由层呈反铁磁耦合状态，在中间层的作用下两磁性自由层层磁矩可自发呈反方向排列；

第一磁性自由层厚度小于第二磁性自由层的厚度；或第一磁性自由层的总磁矩小于第二磁性自由层的总磁矩。

2.如权利要求1所述的自旋矩纳米振荡器，其特征是，所述两磁性自由层均为面内磁化。

3.如权利要求1所述的自旋矩纳米振荡器，其特征是，所述两磁性自由层均具有垂直磁各向异性，其磁化易轴方向为面外方向。

4.如权利要求1所述的自旋矩纳米振荡器，其特征是，自旋矩纳米振荡器还包括上电极层及下电极层，上电极层位于合成反铁磁结构上面，下电极层位于磁性固定层下面，其引入直流电流并输出太赫兹振荡信号。

5.如权利要求1所述的自旋矩纳米振荡器，其特征是，第一磁性自由层靠近非磁性间隔层。

6.如权利要求4所述的自旋矩纳米振荡器，其特征是，上电极层、下电极层由金属材料Ta、Cr、Ru、Cu、Au、Pt或者它们的氮化物组成；

进一步的，磁性固定层由反铁磁材料直接钉扎铁磁材料或它们的合金以及稀土元素和它们的合金所组成；或

磁性固定层由反铁磁材料钉扎合成反铁磁结构所组成；或

磁性固定层由具有较大矫顽力的硬磁材料组成；

进一步的，所述非磁性间隔层由非磁性金属材料组成；或

非磁性间隔层由非磁性绝缘材料组成。

7.自旋矩纳米振荡器阵列，该阵列由 多个权利要求1-6任一所述的自旋矩纳米振荡器构成，自旋矩纳米振荡器之间信号耦合，输出增强的太赫兹信号。

8.太赫兹信号发生器，包括权利要求1-6任一所述的自旋矩纳米振荡器及外接电路，所述外接电路对自旋矩纳米振荡器提供电动势并对自旋矩纳米振荡器所输出的太赫兹频率的信号进行放大处理。

9.基于权利要求8所述太赫兹信号发生器的信号产生方法，包括：

给自旋矩纳米振荡器提供所需的电动势时，非自旋极化的电流流经磁性固定层后即变为自旋极化的电流，其自旋极化方向与磁性固定层磁化方向相同；

合成反铁磁结构中两层磁性自由层通过中间层做反铁磁耦合，合成反铁磁结构中的下层磁性自由层与自旋极化电流之间发生自旋转移矩效应，同时受上层磁性自由层的强耦合场作用，下层磁性自由层磁矩做太赫兹频率进动，结合磁电阻效应，实现太赫兹频率的信号输出；

太赫兹频率的信号输出进行功率放大并输出。

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