CN110554058A - 一种微波探测元件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微波探测元件，是由包括依次层叠设置的片状钉扎层、绝缘层、自由层和重金属层构成，其上层的磁性钉扎层为环形，自由层、绝缘层和重金属层的形状设置为圆形。其中：重金属层材料与自由层材料间可产生Dzyaloshinskii–Moriya相互作用，所述的钉扎层中磁矩沿垂直方向排布，且由于Dzyaloshinskii–Moriya相互作用使得自由层中磁矩排布为磁斯格明子态。本发明的微波探测元件，当输入一个微波电流信号时，磁斯格明子的尺寸会周期性变化，由于隧道磁电阻效应存在，会使元件的电阻值也产生周期性的变化，其与输入的微波电流耦合会产生一个直流信号，从而实现微波探测。本发明可以使灵敏度值有较大提升。

Description

一种微波探测元件
技术领域
本发明涉及一种微波探测元件。
背景技术
微波传感器其实就是指利用微波特性来对一些物理量进行检测的装置或器件。其主要分为发射装置与接收装置，由发射装置发出微波，遇到被测物体时被吸收或反射，使微波功率或频率发生改变，利用微波接收装置将改变后的微波信号转化为电信号，再对电信号进行分析，就可以得出被测物体的材料性质和运动状态等物理性质，这就是微波检测的基本原理。由于微波传感器具有非接触、速度快、灵敏度高、耐高温高压和耐辐射等特点，因此广泛应用于军事、交通、医疗、工业、农业等各个领域。
微波探测器作为微波接收装置，是微波传感器中非常重要的一环，近年来一直朝着小型化、集成化、高灵敏度、低能耗、低噪声等方向发展。目前商用的传统半导体二极管探测器由于热力学极限的存在，其灵敏度很难超过3800 mV/mW，因而很难探测低输入功率的微波；另外随着尺寸降低到纳米量级，半导体二极管内的量子效应所产生的噪声愈发明显，限制着半导体二极管小型化的发展。近年来在磁性隧道结结构中发现了自旋转矩二极管效应，其在小型化、集成化方面具有巨大优势，但其灵敏度远小于传统半导体二极管的灵敏度。
中国发明专利2014102737811公开了一种微波探测器，其中的探测元件包含：具有面内平衡磁化的固定磁性层，形成于所述固定磁性层之上的非磁性隔离层，以及，形成于所述非磁性隔离层之上的、具有垂直磁晶各向异性的磁性自由层。
中国发明专利申请2016110045027公开了一种微波探测元件，包括相对设置的绝缘层和第一磁性层；绝缘层施加有偏置电压时，绝缘层的邻近于第一磁性层的界面产生电场或发生应力形变，以改变第一磁性层的磁性。根据本发明的微波探测元件基于电场调控，利用各向异性磁电阻效应或巨磁电阻效应，实现微波探测。这两个专利的原理都是外来信号时，自由层中一致取向的磁矩会一致进动由此产生磁阻变化，来探测微波场的功率。这种方法具有很高的灵敏度，达到70000mV/mW，但是需要偏置电流辅助才能达到这么高的灵敏度，而且施加偏置电流辅助，势必会加大元件的功耗；当没有偏置电流辅助时，灵敏度值也仅有1000mV/mW左右。
发明内容
本发明提供一种可克服现有技术不足的微波探测元件。
本发明的微波探测元件包括依次层叠设置的片状钉扎层、绝缘层、自由层和重金属层，各层间物理结合，例如通过真空溅射或真空蒸镀等方式逐层形成相应的各层，所述的：钉扎层和自由层分别用任一种能与绝缘层形成磁隧道结结构的磁性材料制成，绝缘层材料选自MgOX、AlOX、TaOX中的一种，重金属层由Pt、Ta、Pd、Ir、Au、Gd、Hf、W、Re或Os中的任一种制成，且材料选择时应保证使重金属层材料与自由层材料间可产生Dzyaloshinskii–Moriya相互作用，所述的钉扎层中磁矩沿垂直方向排布，且由于Dzyaloshinskii–Moriya相互作用使得自由层中磁矩排布为磁斯格明子态。
优选地，本发明的微波探测元件所述的各层为同心层叠设置的圆盘和圆环，其中绝缘层、自由层和金属层分别为等直径圆盘状，钉扎层为圆环状，钉扎层厚为0.8～20nm、绝缘层厚1～3nm、自由层厚0.5～3nm，重金属层厚2～10nm，钉扎层为内外径差小于10nm的圆环，且圆环外径尺寸小于其余各层圆盘的直径，所述其余各层的直径d l 为100～1000nm。
优选地，本发明的微波探测元件的各圆盘层直径为100nm时，钉扎层内径d c2 为35～38nm、钉扎层外径d c1 为0～40nm。
更优选地，本发明的微波探测元件所述的重金属层为Pt、自由层和钉扎层均为CoFeB、绝缘层为MgO，其中：重金属层厚度2nm，自由层厚度1nm，绝缘层厚度1nm，钉扎层厚度1.24nm ； d l 为100nm， d c1 为33 nm～36nm，d c2 为35nm～38nm。
本发明的微波探测元件，是由重金属层与磁性隧道结结构构成，其中重金属层与自由层相邻，使重金属层与自由层产生Dzyaloshinskii–Moriya相互作用（DMI）；所述的磁性隧道结结构主要由三层膜构成，自重金属层材料之上依次为下层的磁性自由层、中间作为隔离层的绝缘层、和上层的垂直磁化钉扎层，其中重金属层、磁性自由层、中间绝缘层均为圆盘形状，钉扎层设置为圆环形状同时充当电极；当在垂直于平面方向通入微波电流时，自由层中磁斯格明子的呼吸作用会使系统的电阻值周期性的变大变小，与注入的微波电流耦合则会产生一个直流电压信号，便可得到该微波探测元件的灵敏度值。
本发明中，所述磁性自由层，由于DMI效应存在，磁矩排布为磁斯格明子态；钉扎层中磁矩排布垂直于平面。由于隧道磁电阻效应，自由层中磁矩与钉扎层中磁矩相同指向的区域电阻较小，指向相反的区域电阻较大。
本发明中，所述磁斯格明子的呼吸作用是指：自由层中磁斯格明子直径在微波电流的作用下会进行周期性的收缩与扩张，由于磁斯格明子中心区域磁矩和外部磁矩指向相反，因此磁斯格明子的呼吸作用会造成系统电阻值的周期变化。
相对于现有的技术，本发明的基于磁斯格明子的微波探测元件，充分利用了磁斯格明子在微波电流作用下形成呼吸运动的特性，构建了一种全新的微波探测器，而且钉扎层采用圆环形状的设计相比于传统的圆盘形状会使系统的灵敏度值获得极大提升。
采用本发明的器件可制成高灵敏度的微波探测器。
与现有的技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
（1）相较于现有的微波探测器，本发明中所述的基于磁斯格明子的微波探测器在探测微弱功率的微波信号时，不需要偏置电流或者偏置磁场辅助，便可获得高探测灵敏度。
（2）本发明所述的基于磁斯格明子微波探测元件具有尺寸小、功耗低的优点。
（3）本发明中所涉及的环形钉扎层相较于传统的圆盘形或者其他形状的钉扎层，对于磁斯格明子呼吸作用引起的电阻变化更加明显。
（4）本发明中所述基于磁斯格明子的微波探测元件并不包含其他种类的相互作用，为下一代纯基于磁斯格明子微波探测器的设计奠定了基础。
附图说明
图1是本发明的微波探测元件的结构示意图，其中左图是剖面示意，右图是其剖面磁矩示意。
图2是根据本发明实施例的微波探测元件静态磁斯格明子直径小于钉扎层内径时施加微波电流的灵敏度响应仿真图。
图3 是根据本发明实施例的微波探测元件静态磁斯格明子直径大于钉扎层外径时施加微波电流的灵敏度响应仿真图。
图4是根据本发明实施例的微波探测元件静态磁斯格明子直径在钉扎层内外径之间时施加微波电流的灵敏度响应仿真图。
图中：1钉扎层，2绝缘层，3自由层，4重金属层，d c1 钉扎层内径尺寸、d c2 钉扎层外径尺寸，d l 为绝缘层。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合具体实施例和附图,对本发明进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
本发明的一个实施例所采用的材料分别为：重金属层铂（Pt）、自由层为钴铁硼（CoFeB）材料、钉扎层为钴铁硼（CoFeB）材料、绝缘层为氧化镁（MgO），各层间以真空溅射或真空蒸镀方式形成，其中重金属层和自由层间的DM相互作用常数为3.0mJ/m3,自由层的单轴各向异性常数为K = 8.0 × 105 J/m3, 交换常数为A = 2.0 × 10-11 J/m。
图1为本发明所述的微波探测元件的一种结构示意图，包括微波探测元件的主视图、俯视图以及剖面磁矩排布图，图中数字1、2、3、4分别代表钉扎层、绝缘层、自由层、重金属层，d c1 、d c2 为钉扎层内径尺寸、外径尺寸，d l 为绝缘层、自由层、重金属层直径。设置圆盘直径d l 为100nm，自由层厚度1nm，绝缘层厚度1nm，钉扎层厚度1.24nm。对于不同的圆环尺寸，通过仿真计算得到不同电流密度下灵敏度值，首先我们仿真得到静态磁斯格明子的直径（d SK ）为35.77nm，然后根据静态磁斯格明子直径（d SK ）与圆环内外径关系分为三种情况分别进行了仿真。
图2所示为当d c1 < d c2 < d SK 时，施加微波电流时的灵敏度响应仿真图，沿垂直方向在钉扎层中通入微波电流，自由层中磁斯格明子开始呼吸，即尺寸周期性变大缩小；由隧道磁电阻效应，微波探测元件电阻值也周期性变化，与注入的微波电流耦合则会产生一个直流电压信号由此得到该微波探测元件的灵敏度值。 d sk 是未通入电流静态时磁斯格明子的直径。
图3所示为当d SK < d c1 < d c2 时，施加微波电流时的灵敏度响应仿真图。
图4所示为当d c1 < d SK < d c2 时，施加微波电流时的灵敏度响应仿真图。
图2和图3两种情况下对于小区间内的微波电流具有高的探测灵敏度，当磁斯格明子的呼吸范围与钉扎层相接近时，灵敏度值会比较高，电流的大小会影响磁斯格明子的呼吸幅度，随着电流的增大磁斯格明子的呼吸幅度也会增加，但当电流增加到一定阈值之后磁斯格明子就会消失，电流过小或过大时自由层中磁斯格明子的呼吸范围都在钉扎层电极范围之外，因此灵敏度值为0；在图4的情况下只要微波电流不是特别高就都会有很高的探测灵敏度，因为当微波电流很弱时磁斯格明子的呼吸幅度也在钉扎层电极的范围之内。
对于这三种情况，相较之前传统的半导体二极管灵敏度获得了极大提升，并且当钉扎层内外径为35，38nm时，灵敏度值达到34000mV/mW左右。
应当理解,上述较佳实施例仅为说明本发明的技术构思及特点,其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施,并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰,都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种微波探测元件，其特征在于包括依次层叠设置的片状钉扎层、绝缘层、自由层和重金属层，各层间物理结合，所述的：钉扎层和自由层分别用任一种能与绝缘层形成磁隧道结结构的磁性材料制成，绝缘层材料选自MgOX、AlOX、TaOX中的任一种，重金属层由Pt、Ta、Pd、Ir、Au、Gd、Hf、W、Re或Os中的任一种制成，且材料选择时应保证使重金属层材料与自由层材料间可产生Dzyaloshinskii–Moriya相互作用，所述的钉扎层中磁矩沿垂直方向排布，且由于Dzyaloshinskii–Moriya相互作用使得自由层中磁矩排布为磁斯格明子态。
2.根据权利要求1所述的微波探测元件，其特征在于所述的各层为同心层叠设置的圆盘和圆环，其中绝缘层、自由层和金属层分别为等直径圆盘状，钉扎层为圆环状，钉扎层厚为0.8～20nm、绝缘层厚1～3nm、自由层厚0.5～3nm，重金属层厚2～10nm，钉扎层为内外径差小于10nm的圆环，且圆环外径尺寸小于其余各层圆盘的直径，所述其余各层的直径d l 为100～1000nm。
3.根据权利要求2所述的微波探测元件，其特征在于各圆盘层直径为100nm时，钉扎层内径d c2 为35～38nm、钉扎层外径d c1 为0～40nm。
4.根据权利要求3所述的微波探测元件，其特征在于重金属层为Pt、自由层和钉扎层均为CoFeB、绝缘层为MgO，其中：重金属层厚度2nm，自由层厚度1nm，绝缘层厚度1nm，钉扎层厚度1.24nm ； d l 为100nm， d c1 为33 nm～36nm，d c2 为35nm～38nm。
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