CN111048894B - 基于逆自旋霍尔效应的自旋电子天线阵列及其制备方法 - Google Patents

基于逆自旋霍尔效应的自旋电子天线阵列及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种基于逆自旋霍尔效应的自旋电子天线阵列及其制备方法，属于高频电子信息设备技术领域。所述自旋电子天线阵列包括多个阵列排布的自旋电子天线单元以及单元间的电连接导体，所述自旋电子天线单元包括衬底，以及依次形成于衬底之上的低损耗磁性薄膜层和非磁性重金属薄膜层组成的异质结构，所述磁性薄膜应施加外偏置磁场进行磁化，或者具有自偏置特性，以调节天线的工作频率。本发明自旋电子天线阵列，结构简单，集成度高，易于在多种介质基板上加工制作，接收电磁波频率范围很宽，可通过改变磁性材料种类实现MHz，数GHz至数百GHz频段的电磁波接收，响应速度在ns至ps量级，可广泛应用于5G通信，无线传感网络等电子信息系统中。

Description

基于逆自旋霍尔效应的自旋电子天线阵列及其制备方法
技术领域
本发明属于高频电子信息设备技术领域，具体涉及一种基于逆自旋霍尔效应的自旋电子天线阵列及其制备方法。
背景技术
无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。此外，在用电磁波传送能量方面，能量辐射也需要天线。随着无线通信技术和应用的高速发展，环境电磁波频率越来越高，复杂的电磁波频谱间干扰问题变得突出。人们需要价格低廉且集成度更高的天线来实现对空间电磁波信号的接收。此外，在一些通信组件和无线物联网系统等应用方面，天线也成为必不可少的核心器件，应用数量极大。
传统的接收天线将自由空间中传输的电磁波转换为传输线上传播的导行波，是将空间电磁波能量转换为电磁介质上金属导体中感生的高频交变电流。且天线具有互易性，可接受电磁波亦可辐射电磁波。
目前，市面上的集成化天线多采用电介质上的导电体构成，核心利用的电介质对高频电磁场的响应，在高电导率导体中感生高频交变电流，传统的集成化天线需要对天线电介质基板的介电常数、磁导率参数进行选择，对导体进行尺寸优化设计，保证阻抗匹配，达到最优的电磁波接收效果。通常理论复杂，仿真设计耗时。
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、具有普适性、测量频谱范围广、集成度高、灵敏度高的基于逆自旋霍尔效应的自旋电子天线及其阵列。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
基于逆自旋霍尔效应的自旋电子天线，其特征在于，所述自旋电子天线包括衬底，以及依次形成于衬底之上的低损耗磁性薄膜层和非磁性重金属薄膜层，所述磁性薄膜应施加外偏置磁场进行磁化，或者具有自偏置特性，以调节天线的工作频率；
所述磁性薄膜层在电磁波的辐射下，磁矩发生一致或非一致进动，由于存在自旋轨道耦合，磁矩进动的角动量会传递给相邻的非磁性重金属的电子，即泵浦产生自旋流注入到所述非磁性重金属薄膜层中，该自旋流在逆自旋霍尔效应下产生垂直于自旋流方向的电荷流(直流)，该电荷流即是电磁波产生的逆自旋霍尔电流，进而实现天线的功能。
基于逆自旋霍尔效应的自旋电子天线阵列，其特征在于，所述自旋电子天线阵列包括多个阵列排布的自旋电子天线单元以及单元间的电连接导体，所述自旋电子天线单元包括衬底，以及依次形成于衬底之上的低损耗磁性薄膜层和非磁性重金属薄膜层组成的异质结构，所述磁性薄膜应施加外偏置磁场进行磁化，或者具有自偏置特性，以调节天线的工作频率；
所述磁性薄膜层在电磁波的辐射下，磁矩发生一致或非一致进动，由于存在自旋轨道耦合，磁矩进动的角动量会传递给相邻的非磁性重金属的电子，即泵浦产生自旋流注入到所述非磁性重金属薄膜层中，该自旋流在逆自旋霍尔效应下产生垂直于自旋流方向的电荷流，该电荷流即是电磁波产生的逆自旋霍尔电流，进而实现天线的功能。
其中，感生的逆自旋霍尔电流的大小与非磁性重金属薄膜层的厚度、自旋霍尔角大小、磁性薄膜层的饱和磁化强度有关，在上述参数确定的情况下，感生的逆自旋霍尔电流大小与电磁波的磁场强度有关，且与磁性薄膜中磁矩矢量与电磁波交变磁场分量的夹角有关。
进一步地，所述自旋电子天线感生的逆自旋霍尔电流大小与电磁场功率成正比；在磁性薄膜中磁矩一致进动时(天线频率与外加偏置磁场铁磁共振时，为一致进动)，获得的逆自旋霍尔电流最大。
其中，所述基于逆自旋霍尔效应的自旋电子天线阵列，通过将多个自旋电子天线单元阵列排列并连接，实现了感生电流的增大。
其中，所述低损耗磁性薄膜层包括钇铁石榴石等面内各向异性磁性绝缘体薄膜，或者面外各向异性的稀土掺杂石榴石薄膜，或者具有自偏置特性的钡铁氧体薄膜，或者低阻尼因子的磁性金属薄膜等。
其中，所述非磁性重金属薄膜层包括铂金属及其合金薄膜，或者钽金属及其合金薄膜，或者钨金属及其合金薄膜，或者铋金属及其合金薄膜等。
其中，所述低损耗磁性薄膜层的厚度为1nm～2μm，所述非磁性重金属薄膜层的厚度为1nm～50nm。
一种基于逆自旋霍尔效应的自旋电子天线阵列的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、在衬底基片上生长得到低损耗磁性薄膜层；
步骤2、采用薄膜沉积工艺，在所述低损耗磁性薄膜层上生长1nm～50nm厚的非磁性重金属薄膜层，形成异质结构；
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自旋电子天线阵列单元；
步骤4、对步骤3得到的结构再次进行光刻处理，在所述自旋电子天线单元间制备导电线将各天线单元级联，即可得到所述自旋电子天线阵列。
进一步地，步骤2在低损耗磁性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，匀速旋转长有磁性薄膜层的基片，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，制得磁性薄膜层和非磁性重金属薄膜层异质结构。
进一步地，步骤1在衬底基片上生长得到低损耗磁性薄膜层的具体过程为：在钆镓石榴石GGG单晶基片上生长钇铁石榴石Y3Fe5O12薄膜，或者在钆镓石榴石GGG单晶基片上生长面外各向异性的石榴石(TmBi)3Fe5O12薄膜，或者在Al2O3单晶基片上生长具有自偏置的钡铁氧体薄膜，或者在GaN半导体基片上生长具有自偏置的钡铁氧体薄膜，或者在相应基片衬底上生长低阻尼磁性金属薄膜。
采用了上述技术方案后，本发明的有益效果是：
1、本发明提供了一种基于逆自旋霍尔效应的自旋电子天线，包括磁性薄膜层和非磁性重金属薄膜层，所述磁性薄膜层在电磁波的辐射下，磁矩发生一致或非一致进动，磁矩进动产生的自旋流进入非磁性重金属薄膜层中，在逆自旋霍尔效应中，会在垂直自旋流的方向上产生电荷流，该电荷流即是电磁波产生的逆自旋霍尔电流，进而实现天线的功能。多个自旋电子天线可以电连接形成天线阵列，增大感生电流。
2、本发明提供的一种基于逆自旋霍尔效应的自旋电子天线阵列，结构简单，集成度高，易于在多种介质基板上加工制作，接收电磁波频率范围很宽，可通过改变磁性材料种类实现MHz，数GHz至数百GHz频段的电磁波接收，响应速度在ns至ps量级，可广泛应用于5G通信，无线传感网络等电子信息系统中。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于逆自旋霍尔效应的自旋电子天线阵列的结构示意图；
图2为本发明提供的一种基于逆自旋霍尔效应的自旋电子天线单元的侧视图；
图3为本发明提供的一种基于逆自旋霍尔效应的自旋电子天线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。但这些例举性实施例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。
实施例1
如图1所示，基于逆自旋霍尔效应的自旋电子天线阵列包括多个阵列排布的自旋电子天线单元以及单元间的电连接导体，所述自旋电子天线单元包括衬底，以及依次形成于衬底之上的低损耗磁性薄膜层和非磁性重金属薄膜层组成的异质结构。
本实施例中，以1μm的单晶钇铁石榴石(YIG)作为低损耗磁性薄膜层，20nm的铂(Pt)作为非磁性重金属薄膜层，微波频率固定在7GHz。在3mW的微波功率下，每个逆自旋霍尔天线单元产生的逆自旋霍尔电压VISHE约为3微伏；随着功率的线性增加到200mW，测得的逆自旋霍尔电压为52微伏。
该逆自旋霍尔效应的自旋电子天线阵列制备过程为：
步骤1、在钆镓石榴石GGG单晶基片上生长1μm的单晶钇铁石榴石(YIG)，作为磁性薄膜层；
步骤2、采用薄膜沉积工艺，在所述磁性薄膜层上生长20nm厚的Pt金属薄膜层，形成异质结构；具体为：在10-5Pa量级的真空环境下，以40SCCM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80W的直流功率进行Pt靶材的溅射；打开Pt靶材的挡板，匀速旋转长有磁性薄膜层的基片，到达设定的生长时间后，关闭溅射电源和Pt靶材的挡板，制得YIG/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自旋电子天线阵列单元，例如霍尔条状等图形阵列；
步骤4、对步骤3得到的结构再次进行光刻处理，在所述自旋电子天线单元间制备导电线将各天线单元级联，即可得到所述自旋电子天线阵列。
实施例2
本实施例中，以1μm的单晶钇铁石榴石(YIG)作为低损耗磁性薄膜层，30nm的钽(Ta)作为非磁性重金属薄膜层。制备过程中仅将靶材改为Ta靶，其余过程与实施例1相同。
实施例3
本实施例中，以100nm的NiFe薄膜作为低损耗磁性薄膜层，10nm的铂(Pt)作为非磁性重金属薄膜层。
实施例4
本实施例中，以2μm的单晶钇铁石榴石(YIG)作为低损耗磁性薄膜层，10nm的钨(W)作为非磁性重金属薄膜层。
实施例5
本实施例中，以100nm的具有面外各向异性的自偏置钡铁氧体薄膜作为低损耗磁性薄膜层，20nm的铂(Pt)作为非磁性重金属薄膜层。
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 (7)

1.一种基于逆自旋霍尔效应的自旋电子天线，其特征在于，所述自旋电子天线包括衬底，以及依次形成于衬底之上的磁性薄膜层和非磁性重金属薄膜层，所述磁性薄膜施加外偏置磁场进行磁化，或者具有自偏置特性，以调节天线的工作频率；所述衬底为钆镓石榴石GGG单晶基片、Al2O3单晶基片或GaN半导体基片；所述磁性薄膜层为面内各向异性磁性绝缘体薄膜、面外各向异性的稀土掺杂石榴石薄膜、具有自偏置特性的钡铁氧体薄膜或者低阻尼因子的磁性金属薄膜；
所述磁性薄膜层在电磁波的辐射下，磁矩发生一致或非一致进动，磁矩进动产生的自旋流进入非磁性重金属薄膜层后，在垂直自旋流的方向上产生逆自旋霍尔电流，进而实现天线的功能；
感生的逆自旋霍尔电流的大小与非磁性重金属薄膜层的厚度、自旋霍尔角大小、磁性薄膜层的饱和磁化强度有关，在非磁性重金属薄膜层的厚度、自旋霍尔角大小、磁性薄膜层的饱和磁化强度确定的情况下，感生的逆自旋霍尔电流大小与电磁波的磁场强度有关，且与磁性薄膜中磁矩矢量与电磁波交变磁场分量的夹角有关；
所述自旋电子天线感生的逆自旋霍尔电流大小与电磁场功率成正比；在磁性薄膜中磁矩一致进动时，获得的逆自旋霍尔电流最大。
2.根据权利要求1所述的基于逆自旋霍尔效应的自旋电子天线，其特征在于，所述非磁性重金属薄膜层为铂金属及其合金薄膜、或者钽金属及其合金薄膜、或者钨金属及其合金薄膜、或者铋金属及其合金薄膜。
3.根据权利要求1所述的基于逆自旋霍尔效应的自旋电子天线，其特征在于，所述磁性薄膜层的厚度为1nm~2μm，所述非磁性重金属薄膜层的厚度为1nm~50nm。
4.一种基于逆自旋霍尔效应的自旋电子天线阵列，其特征在于，所述自旋电子天线阵列包括多个阵列排布的权利要求1-3所述自旋电子天线单元以及单元间的电连接导体。
5.一种如权利要求4所述基于逆自旋霍尔效应的自旋电子天线阵列的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、在衬底基片上生长磁性薄膜层；
步骤2、采用薄膜沉积工艺，在所述磁性薄膜层上生长1nm~50nm厚的非磁性重金属薄膜层，形成异质结构；
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自旋电子天线阵列单元；
步骤4、对步骤3得到的结构进行光刻处理，在所述自旋电子天线单元间制备导电线将各天线单元级联，即可得到所述自旋电子天线阵列。
6. 根据权利要求5所述的基于逆自旋霍尔效应的自旋电子天线阵列的制备方法，其特征在于，步骤2在磁性薄膜层上生长非磁性重金属薄膜层的具体过程为：在10-5 Pa量级的真空环境下，以5~80 SCCM的氩气流量通入真空室，待气压稳定后，背底真空度为0.1~0.8 Pa；在0.1~0.8 Pa的气压环境下，打开磁控溅射电源，以10~100 W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，匀速旋转长有磁性薄膜层的基片，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，制得磁性薄膜层和非磁性重金属薄膜层异质结构。
7.根据权利要求5所述的基于逆自旋霍尔效应的自旋电子天线阵列的制备方法，其特征在于，步骤1在衬底基片上生长磁性薄膜层的具体过程为：在钆镓石榴石GGG单晶基片上生长钇铁石榴石Y3Fe5O12薄膜，或者在钆镓石榴石GGG单晶基片上生长面外各向异性的石榴石(TmBi)3Fe5O12薄膜，或者在Al2O3单晶基片上生长具有自偏置的钡铁氧体薄膜，或者在GaN半导体基片上生长具有自偏置的钡铁氧体薄膜。
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