CN110504354A - 基于反铁磁性材料的纳米太赫兹波振荡器阵列及制备方法 - Google Patents

Abstract

一种基于反铁磁性材料的纳米太赫兹波振荡器阵列及制备方法，属于微波电子设备技术领域。所述纳米太赫兹波振荡器阵列为多个单元器件组成的阵列结构，所述单元器件包括非磁性重金属薄膜层和位于非磁性重金属薄膜层之上的反铁磁薄膜层，多个单元器件通过位于非磁性重金属薄膜层下表面的电极串联。本发明基于反铁磁性材料的纳米太赫兹波振荡器阵列，通过调节导电电极流过的电流强度可实现不同功率的高频太赫兹波输出，输出太赫兹波信号性能良好，并且结构简单，功耗低，易与CMOS集成。

Description

基于反铁磁性材料的纳米太赫兹波振荡器阵列及制备方法

技术领域

本发明属于微波电子设备技术领域，具体涉及一种基于反铁磁性材料的纳米太赫兹波振荡器阵列及制备方法。

背景技术

在现代移动通信中，目前商用的微波源振荡器主要有压控LC振荡器和晶体振荡器等。商用压控LC振荡器的电路设计灵活，成本较低，易做到正弦波输出和可调频率输出，但是这种振荡器的体积大(微米量级)，频率较低(如GPS：1.6GHZ；GSM：850MHZ；WCDMA：2GHZ)，且频率调节范围小(<20％)。另一种常用的石英晶体振荡器虽然输出频率精度较高，但频率单一不能调节。

目前，也有人提出了基于自旋转矩效应的自旋微波振荡器，其基本结构是由铁磁薄膜(FM1)/非磁性膜(NM)/铁磁薄膜(FM2)构成的三明治结构，被FM1层自旋极化的电子穿过NM层，可以对磁性薄膜FM2内的磁矩产生一个力矩的作用。但其受到相邻磁矩阻尼作用的制约，在实现电流激发磁矩振荡的过程中，共振频率只能达到微波频段，且需要较高的电流密度，不仅增大了能耗，同时产生的热噪声影响输出微波信号质量。

因此，随着移动通信和卫星通信的迅速发展，对高频电磁波振荡器件的小型化、集成化、低功耗和高频可调的要求越来越迫切。

发明内容

本发明的目的在于，针对背景技术存在的缺陷，提出一种结构简单、成本低廉、易与CMOS技术集成的基于反铁磁性材料的纳米太赫兹波振荡器阵列及制备方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

基于反铁磁性材料的纳米太赫兹波振荡器阵列，其特征在于，所述纳米太赫兹波振荡器阵列为多个单元器件组成的阵列结构，所述单元器件包括非磁性重金属薄膜层和位于非磁性重金属薄膜层之上的反铁磁薄膜层，多个单元器件通过位于非磁性重金属薄膜层下表面的电极串联。

进一步地，所述阵列结构为矩形阵列、三角形阵列或蜂窝状阵列等。

进一步地，所述反铁磁薄膜层为具有磁矩反方向排列的氧化镍(NiO)反铁磁性绝缘体薄膜，或过渡族金属合金FeMn、InMn反铁磁性薄膜，或铁酸铋(BiFeO₃)等。

进一步地，所述非磁性重金属薄膜层为具有强自旋轨道耦合强度的金属及其合金薄膜，具体为铂(Pt)金属薄膜、钽(Ta)金属薄膜、钨(W)金属薄膜或者拓扑绝缘体碲化铋(Bi₂Te₃)薄膜等。

进一步地，所述反铁磁薄膜层的厚度为1nm～2μm，所述非磁性重金属薄膜层的厚度为1nm～50nm。

基于反铁磁性材料的纳米太赫兹波振荡器阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、依次在基片上生长反铁磁薄膜层和非磁性重金属薄膜层，得到双层薄膜结构；

步骤2、采用微电子光刻工艺，对双层薄膜进行光刻和刻蚀，形成振荡器阵列的微纳图形；

步骤3、采用薄膜沉积工艺，在得到的微纳图形上生长纳米厚度的导电薄膜层；

步骤4、采用微电子光刻工艺，对得到的导电薄膜层进行光刻和刻蚀，以得到串联多个阵列单元的导电电极，完成所述太赫兹波振荡器阵列的制备。

进一步地，在反铁磁薄膜层上生长非磁性重金属薄膜层的具体过程为：在10^-5Pa量级的真空环境下，以5～80SCCM的氩气流量通入真空室，待气压稳定后，背底真空度为0.1～0.8Pa；在0.1～0.8Pa的气压环境下，打开磁控溅射电源，以10～100W的直流功率进行重金属靶材的溅射；打开重金属靶材的挡板，匀速旋转长有反铁磁薄膜的基片，到达设定的生长时间后，关闭溅射电源和重金属靶材的挡板，制得反铁磁薄膜层和非磁性重金属薄膜层异质结构。

本发明提供的基于反铁磁性材料的纳米太赫兹波振荡器阵列，在电流通过导电电极流过纳米级非磁性重金属薄膜层的平面内时，通过在具有高自旋轨道相互作用的非磁性重金属薄膜中的不对称电子散射，自旋霍尔效应将平面内非自旋极化电荷流转换为纯自旋流，所产生的自旋流可以对反铁磁薄膜层反向排列的奈尔磁矩施加自旋转移力矩作用，使其产生反向的手性自旋进动，超过一定的临界电流时，自旋转移力矩可以完全抵消磁矩进动阻尼，进而输出太赫兹波振荡信号。

其中，所述反铁磁薄膜层的两个磁矩矢量取向方向相反且大小不同，相比于传统的磁矩有序排列的磁性材料，磁矩反向排列的反铁磁性材料相邻磁矩自旋相互抵消，宏观上表现为顺磁性，在相同驱动电流密度下，磁矩能够更快地翻转，获得更大的太赫兹波输出频率，并且所需的临界电流值更小。

采用了上述技术方案后，本发明的有益效果为：

本发明提供的基于反铁磁性材料的纳米太赫兹波振荡器阵列，在电流流过纳米级非磁性重金属薄膜层的平面内时，通过在具有高自旋轨道相互作用的非磁性重金属薄膜中的不对称电子散射，自旋霍尔效应将平面内非自旋极化电荷流转换为纯自旋流，所产生的自旋流可以对反铁磁薄膜层反向排列的奈尔磁矩施加自旋转移力矩作用，使其产生反向的手性自旋进动，超过一定的临界电流时，自旋转移力矩可以完全抵消磁矩进动阻尼，进而输出太赫兹波振荡信号。本发明基于反铁磁性材料的纳米太赫兹波振荡器阵列，通过调节导电电极流过的电流强度可实现不同功率的高频太赫兹波输出，输出太赫兹波信号性能良好，并且结构简单，功耗低，易与CMOS集成。

附图说明

图1为本发明提供的基于反铁磁性材料的纳米太赫兹波振荡器阵列的原理图；

图2为本发明提供的基于反铁磁性材料的纳米太赫兹波振荡器阵列的结构示意图；

图3为本发明提供的基于反铁磁性材料的纳米太赫兹波振荡器阵列的制备方法流程图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明进一步说明。但这些例举性实施方式的用途和目的仅用来例举本发明，并非对本发明的实际保护范围构成任何形式的任何限定，更非将本发明的保护范围局限于此。

基于反铁磁性材料的纳米太赫兹波振荡器阵列，如图2所示，所述纳米太赫兹波振荡器阵列为多个单元器件组成的阵列结构，所述单元器件包括由具有磁矩反平行交错排列的反铁磁薄膜层和非磁性重金属薄膜层组成的异质结构，多个单元器件通过位于非磁性重金属薄膜层下表面的导电电极串联。

其中，所述阵列结构为矩形阵列、三角形阵列或蜂窝状阵列等。

本发明提供的基于反铁磁性材料的纳米太赫兹波振荡器阵列，在电流通过导电电极流过纳米级非磁性重金属薄膜层的平面内时，通过在具有高自旋轨道相互作用的非磁性重金属薄膜中的不对称电子散射，自旋霍尔效应将平面内非自旋极化电荷流转换为纯自旋流，所产生的自旋流可以对反铁磁薄膜层反向排列的奈尔磁矩施加自旋转移力矩作用，使其产生反向的手性自旋进动，超过一定的临界电流时，自旋转移力矩可以完全抵消磁矩进动阻尼，进而输出太赫兹波振荡信号。

实施例1

本实施例中，以厚度为200nm的单晶氧化镍(NiO)作为反铁磁薄膜层，厚度为10nm的铂(Pt)金属薄膜作为非磁性重金属薄膜层，阵列结构为矩形阵列。在不同直流电流密度下，计算NiO(200nm)/Pt(10nm)异质结输出太赫兹波信号的功率谱密度，其中在10mA电流密度下产生的太赫兹波振荡频率为0.7THz，太赫兹波信号的功率谱密度为0.28fW/MHz；太赫兹波信号输出功率随着直流电流密度增大而线性提高。

如图3所示，为基于反铁磁性材料的纳米太赫兹波振荡器阵列的制备方法流程图，包括以下步骤：

步骤1、在蓝宝石(Al₂O₃)单晶基片上生长单晶氧化镍(NiO)薄膜，作为反铁磁薄膜层；

步骤2、在反铁磁薄膜层上生长非磁性重金属薄膜层：在10^-5Pa量级的真空环境下，以20SCCM的氩气流量通入真空室，待气压稳定后，背底真空度为0.5Pa；在0.5Pa的气压环境下，打开磁控溅射电源，以50W的直流功率进行重金属铂靶材的溅射；打开重金属靶材的挡板，匀速旋转长有反铁磁薄膜的基片，到达设定的生长时间后，关闭溅射电源和重金属靶材的挡板，制得反铁磁薄膜层(NiO)和非磁性重金属薄膜层(Pt)异质结构；

步骤3、采用微电子光刻工艺，对步骤2得到的异质结构进行光刻和刻蚀，在所述异质结构上制作出纳米太赫兹波振荡器阵列的微纳图形；

步骤4、采用薄膜沉积工艺，在步骤3得到的振荡器阵列微纳图形上生长纳米厚度的金导电薄膜层；

步骤5、采用微电子光刻工艺，对步骤4得到的金导电薄膜层进行光刻和刻蚀，以得到串联多个阵列单元的导电电极，完成所述太赫兹波振荡器阵列的制备。

实施例2

本实施例中，以厚度为500nm的FeMn薄膜作为反铁磁薄膜层，厚度为8nm的钽(Ta)金属薄膜作为非磁性重金属薄膜层，阵列结构为圆盘结构。

基于反铁磁性材料的纳米太赫兹波振荡器阵列的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、在二氧化硅基片上生长FeMn薄膜，作为反铁磁薄膜层；

步骤2、在反铁磁薄膜层上生长非磁性重金属薄膜层：在10^-5Pa量级的真空环境下，以20SCCM的氩气流量通入真空室，待气压稳定后，背底真空度为0.5Pa；在0.5Pa的气压环境下，打开磁控溅射电源，以50W的直流功率进行重金属钽靶材的溅射；打开重金属钽靶材的挡板，匀速旋转长有反铁磁薄膜的基片，到达设定的生长时间后，关闭溅射电源和重金属靶材的挡板，制得反铁磁薄膜层(FeMn)和非磁性重金属薄膜层(Ta)异质结构；

步骤3、采用微电子光刻工艺，对步骤2得到的异质结构进行光刻和刻蚀，在所述异质结构上制作出纳米太赫兹波振荡器阵列的微纳图形，如纳米圆盘；

步骤4、采用薄膜沉积工艺，在步骤3得到的振荡器阵列微纳图形上生长纳米厚度的金导电薄膜层；

步骤5、采用微电子光刻工艺，对步骤4得到的金导电薄膜层进行光刻和刻蚀，以得到串联多个阵列单元的导电电极，完成所述太赫兹波振荡器阵列的制备。

实施例3

本实施例与实施例2的区别在于，反铁磁薄膜层为厚度为200nm的铁酸铋(BiFeO₃)，其余与实施例2相同。

应当理解，这些实施例的用途仅用于说明本发明而非意欲限制本发明的保护范围。此外，也应理解，在阅读了本发明的技术内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动、修改和/或变型，所有的这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于反铁磁性材料的纳米太赫兹波振荡器阵列，其特征在于，所述纳米太赫兹波振荡器阵列为多个单元器件组成的阵列结构，所述单元器件包括非磁性重金属薄膜层和位于非磁性重金属薄膜层之上的反铁磁薄膜层，多个单元器件通过位于非磁性重金属薄膜层下表面的电极串联。

2.根据权利要求1所述的基于反铁磁性材料的纳米太赫兹波振荡器阵列，其特征在于，所述阵列结构为矩形阵列、三角形阵列或蜂窝状阵列。

3.根据权利要求1所述的基于反铁磁性材料的纳米太赫兹波振荡器阵列，其特征在于，所述反铁磁薄膜层为氧化镍、FeMn、InMn或铁酸铋。

4.根据权利要求1所述的基于反铁磁性材料的纳米太赫兹波振荡器阵列，其特征在于，所述非磁性重金属薄膜层为铂金属薄膜、钽金属薄膜、钨金属薄膜或碲化铋薄膜。

5.根据权利要求1所述的基于反铁磁性材料的纳米太赫兹波振荡器阵列，其特征在于，所述反铁磁薄膜层的厚度为1nm～2μm，所述非磁性重金属薄膜层的厚度为1nm～50nm。

6.基于反铁磁性材料的纳米太赫兹波振荡器阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、依次在基片上生长反铁磁薄膜层和非磁性重金属薄膜层，得到双层薄膜结构；

步骤2、采用微电子光刻工艺，对双层薄膜进行光刻和刻蚀，形成振荡器阵列的微纳图形；

步骤3、采用薄膜沉积工艺，在得到的微纳图形上生长纳米厚度的导电薄膜层；

步骤4、采用微电子光刻工艺，对得到的导电薄膜层进行光刻和刻蚀，以得到串联多个阵列单元的导电电极，完成所述太赫兹波振荡器阵列的制备。