CN111370570A - 一种垂直电流驱动双层纳米带内横向畴壁振荡的振荡器 - Google Patents

一种垂直电流驱动双层纳米带内横向畴壁振荡的振荡器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种垂直电流驱动双层纳米带内横向畴壁振荡的振荡器，涉及材料技术领域，本发明包括由硬磁性材料构成的垂直磁化层和由软磁性材料构成的面内磁化层，面内磁化层叠加在垂直磁化层顶部，垂直磁化层和面内磁化层的厚度均为32nm，宽度均为32，长度均为40‑300nm，本发明可抑制涡旋的形成，保证纳米带能形成横向畴壁，并使横向畴壁形成稳定的周期振荡。

Description

一种垂直电流驱动双层纳米带内横向畴壁振荡的振荡器
技术领域
本发明涉及材料技术领域，具体而言，涉及一种垂直电流驱动双层纳米带内横向畴壁振荡的振荡器。
背景技术
自1996年Slonczewski和Berger提出STT效应以来，限制性磁性系统中的STT驱动自旋力矩动力学由于其所涉及的基本物理和技术应用的潜力而被进行了深入的研究。在含有畴壁(DW)的磁性纳米带中，当注入适当的直流电时，它对局部自旋施加扭矩，并驱动畴壁向电子流方向移动,它在磁存储器或逻辑器件中有重要的应用。大多数研究集中在均匀单层纳米带系统中电流沿着带长度方向驱动畴壁平行于电流方向运动的畴壁动力学。据报道，在垂直电流的驱动下，DW可以更快地移动，然而，到目前为止，垂直电流驱动的横向畴壁(TDW)运动仅在自旋阀或磁隧道结等磁三明治结构中观察到，它们的制造过程很复杂。STT驱动畴壁动力学在纳米带中的另一个重要应用是基于畴壁的自旋转矩振荡器(DWSTO)，近年来引起了人们的广泛关注。与研究最多的基于三明治的自旋转矩纳米振荡器(STNOS)相比，DWSTO具有更简单的结构，更容易制造。然而，在DWSTO中，应该提前人为地将畴壁注入系统，从而提高了操作的复杂性。此外，畴壁钉扎对刻痕的要求增加了制造的难度。
现有技术中，专利申请号为“201910510754.4”的发明专利公开了“一种具有涡旋畴壁的双层自旋转移矩纳米柱振荡器”，该发明提出的一种新型的纳米柱振荡器结构，通过固定层与自由层的相互作用，在直流电流下驱使自由层的磁矩振荡。从而简化了传统的STNO的三层结构，省略了隔离层，可以大大简化工艺制造流程。同时该模型可以轻松实现多个纳米柱之间的耦合振荡，提高纳米柱振荡器的振幅。该发明专利中记载有“固定层和自由层均为截面为60nm×60nm，厚度为40nm的方柱形”，该发明专利中的纳米柱的面内磁化厚度为40nm，截面为正方形(长宽比为1)，在该尺寸下面内磁化层会形成涡旋，通过电流驱动面内磁矩的进动形成振荡。
发明内容
本发明的目的在于提供一种垂直电流驱动双层纳米带内横向畴壁振荡的振荡器，其通过合理设置长方柱形纳米带的尺寸宽度、厚度以及长宽比，抑制涡旋的形成，保证纳米带中能形成频率可控的稳定横向畴壁振荡。
本发明的实施例是这样实现的：
一种垂直电流驱动双层纳米带内横向畴壁振荡的振荡器，其包括由硬磁性材料构成的垂直磁化层和由软磁性材料构成的面内磁化层，面内磁化层叠加在垂直磁化层顶部，其特征在于，垂直磁化层和面内磁化层的厚度均为32nm，宽度均为32，长度均为40-300nm。
在本发明的一些实施例中，垂直磁化层和面内磁化层的长度均为100nm。
在本发明的一些实施例中，硬磁性材料采用FePt合金。
在本发明的一些实施例中，硬磁性材料的饱和磁化强度大于7×105A/m，且磁各向异性大于2.5×105J/m3，面内磁化层的磁各向异性为0。
在本发明的一些实施例中，软磁性材料采用坡莫合金。
在本发明的一些实施例中，垂直磁化层的磁矩方向相对水平面垂直，面内磁化层的磁矩方向相对水平面平行，直流电垂直于垂直磁化层流入并经过面内磁化层。
在本发明的一些实施例中，垂直磁化层和面内磁化层叠加形成单个纳米带，若干个所述纳米带排列成一行，每个纳米带之间的间距为60nm。
在本发明的一些实施例中，垂直磁化层和面内磁化层叠加形成单个纳米带，若干个所述纳米带排列成两行N列，每个纳米带行与列之间的间距均为60nm。
本发明实施例至少具有如下优点或有益效果：
1、本发明采用截面为长方形的纳米带，合理的尺寸设计确保在电流驱动下，能在纳米带的面内磁化层产生横向畴壁，通过横向畴壁沿纳米带长度方向的往返运动形成稳定的周期振荡。本发明中对面内磁化层厚度和宽度合理设计是保障出现稳定横向畴壁振荡的一个关键：首先合理的宽度、厚度搭配(宽厚比)可以有效的抑制了涡旋的形成，其次，在保障第一点的基础上，进一步优化宽度，可在较大的长度范围内都获得稳定的周期振荡，从而促使振荡频率可以较大范围调控。纳米带为长条形，可以通过形状形成单轴各向异性，使得面内磁化材料层具有沿长度方向的易磁化轴，各向异性能的大小由长宽比控制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明一种垂直电流驱动双层纳米带内横向畴壁振荡的振荡器的结构示意图；
图2为本发明建立坐标系模型及磁矩方向分布的示意图；
图3为本发明形成的纳米带长度为40nm时的磁矩分布图；
图4为本发明形成的纳米带长度为60nm时的磁矩分布图；
图5为本发明形成的纳米带长度为100nm时的磁矩分布图；
图6为本发明形成的纳米带长度为300nm时的磁矩分布图；
图7为本发明微磁模拟获得的在电流密度为2.23×1012A/m2时单个振荡器的振荡曲线图；
图8为图7中对应的面内磁化层中的横向畴壁的运动状态示意图；
图9为本发明的振幅和频率在电流密度为2.23×1012A/m2时通过纳米带的长度调控曲线图；
图10为本发明在电流密度为2.23×1012A/m2时纳米带形成单行阵列后振幅与频率的变化关系示意图(小框内为纳米带阵列的具体摆放方式)；
图11为本发明在电流密度为2.23×1012A/m2时纳米带形成两行阵列后振幅与频率的变化关系示意图(小框内为纳米带阵列的具体摆放方式)。
图标：110-垂直磁化层，120-面内磁化层。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，若出现术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明实施例的描述中，“多个”代表至少2个。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
请参照图1到图2，本实施例提供一种垂直电流驱动双层纳米带内横向畴壁振荡的振荡器，其包括由硬磁性材料构成的垂直磁化层110和由软磁性材料构成的面内磁化层120，面内磁化层120叠加在垂直磁化层110顶部，其特征在于，垂直磁化层110和面内磁化层120的厚度均为32nm，宽度均为32，长度均为40-300nm。
本发明中垂直磁化层110和面内磁化层120形成的长方柱形纳米带的长宽比均大于1，由于形状各向异性能与退磁能的相互作用，在面内磁化层120的部分形成一个横向畴壁，在垂直电流驱动下，横向畴壁在面内磁化层120内周期运动从而使得纳米带在X方向的磁矩分量大小发生周期性振荡，既保证纳米带能形成横向畴壁，并使横向畴壁形成稳定的周期振荡，振荡频率与振幅可以通过电流大小来进行调控。
当垂直磁化层110和面内磁化层120形成的长方柱形纳米带长度为40nm时，其磁矩分布图如图3所示。当纳米带长度为60nm时，其磁矩分布图如图4所示，横向畴壁在纳米带的内部，所以产生持续稳定振荡需要电流首先把畴壁推向一侧。当纳米带长度为100nm时，其磁矩分布图如图5所示，横向畴壁在纳米带的一侧，工作时不需要很长的时间需要把横向畴壁推向一侧再进行周期重复振荡。当纳米带长度为300nm时，其磁矩分布图如图6所示。从图3到图6可对比看出，当纳米带长度为100nm时，使横向畴壁形成稳定的周期振荡需要的时间最短，且形成的周期振荡最稳定，因此纳米带长度优选为100nm。
作为一种较优的实施方式，硬磁性材料采用FePt合金，FePt合金作为目前热门的二元金属纳米材料之一，其展示出磁性、生物和催化等多功能的应用，其优异的物理化学性能及磁记录方面等方面使其具有较广泛的应用，因此可选用为性能优异的硬磁性材料。
作为一种较优的实施方式，硬磁性材料的饱和磁化强度大于7×105A/m，且磁各向异性大于2.5×105J/m3，面内磁化层120的磁各向异性为0，满足性能要求。
需要说明的是，硬磁性材料不限于FePt合金，任何饱和磁化强度大于7×105A/m，且磁各向异性大于2.5×105J/m3的其他材料也可适用，且厚度大于16nm。
作为一种较优的实施方式，软磁性材料采用坡莫合金，坡莫合金指铁镍合金，其含镍量的范围很广，在35％－90％之间，坡莫合金的最大特点是具有很高的弱磁场导磁率，它们的饱和磁感应强度一般在0.6-1.0T之间。通过适当的工艺，可以有效地控制磁性能，比如超过105的初始磁导率、超过106的最大磁导率、低到2‰奥斯特的矫顽力、接近1或接近0的矩形系数，具有面心立方晶体结构的坡莫合金具有很好的塑性，可以加工成1μm的超薄带及各种使用形态。常用的合金有1J50、1J79、1J85等。
作为一种较优的实施方式，垂直磁化层110的磁矩方向相对水平面垂直，面内磁化层120的磁矩方向相对水平面平行，直流电垂直于垂直磁化层110流入并经过面内磁化层120。在该双层纳米带中，发现畴壁垂直于施加的电流移动，在两磁性层的界面附近，由于交换效应，形成一个90°的畴壁，当电流从垂直磁化层110注入时，由于STT效应，面内磁化层120中的自旋倾向于围绕z轴旋转。由于静磁效应，面内磁化层120中的自旋不能相干地旋转，自旋旋转首先发生在纳米带的一端，导致横向畴壁的成核，由于自旋之间的交换效应和STT效应的驱动力，横向畴壁沿长度传播。从图2中可以看出，该振荡器的电流沿z轴方向垂直加入，但是纳米带的横向畴壁沿着y方向横向在整个纳米带上运动。
若对单个振荡器施加电流密度为2.23×1012A/m2的垂直电流时，其振荡曲线图如图7所示，而图8则为图7中对应的面内磁化层中的横向畴壁的运动状态示意图。
从图9可以看出，振幅几乎随纳米带长度呈线性增加。另一方面，在相同的电流密度下，如果我们忽略了由于纳米带长度的变化而导致的有效场和自旋分布的微小变化，畴壁的传播速度几乎保持不变，因此，频率应与1/L成比例。
作为一种较优的实施方式，垂直磁化层110和面内磁化层120叠加形成单个纳米带，若干个所述纳米带排列成一行，每个纳米带之间的间距为60nm，图10为一行纳米带排列所得到的阵列在电流密度为2.23×1012A/m2时的输出特性与个数的变化关系示意图。
作为一种较优的实施方式，垂直磁化层110和面内磁化层120叠加形成单个纳米带，若干个所述纳米带排列成两行N列，每个纳米带行与列之间的间距均为60nm，图11为两行纳米带排列所得到的阵列在电流密度为2.23×1012A/m2时的输出特性与个数的变化关系示意图。
在保证振荡频率变化很小的前提下，两种排列方式均能有效地提高振幅。对于单行的纳米带，振幅与纳米带的倍数提高相一致，对于两行纳米带稍有减小，但是振幅减小幅度不是很大。
本发明提供的一种垂直电流驱动双层纳米带内横向畴壁振荡的振荡器，与传统的需要人工注入畴壁的振荡器相比，可以减少刻痕等工艺的同时，提高振荡幅度。同时，不同的纳米带阵列的形成，也会进一步提高振荡信号。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种垂直电流驱动双层纳米带内横向畴壁振荡的振荡器，包括由硬磁性材料构成的垂直磁化层和由软磁性材料构成的面内磁化层，面内磁化层叠加在垂直磁化层顶部，其特征在于，垂直磁化层和面内磁化层的厚度均为32nm，宽度均为32，长度均为40-300nm。
2.根据权利要求1所述的一种垂直电流驱动双层纳米带内横向畴壁振荡的振荡器，其特征在于，垂直磁化层和面内磁化层的长度均为100nm。
3.根据权利要求1所述的一种垂直电流驱动双层纳米带内横向畴壁振荡的振荡器，其特征在于，硬磁性材料采用FePt合金。
4.根据权利要求1所述的一种垂直电流驱动双层纳米带内横向畴壁振荡的振荡器，其特征在于，硬磁性材料的饱和磁化强度大于7×105A/m，且磁各向异性大于2.5×105J/m3,面内磁化层的磁各向异性为0。
5.根据权利要求1或3所述的一种垂直电流驱动双层纳米带内横向畴壁振荡的振荡器，其特征在于，软磁性材料采用坡莫合金。
6.根据权利要求1所述的一种垂直电流驱动双层纳米带内横向畴壁振荡的振荡器，其特征在于，垂直磁化层的磁矩方向相对水平面垂直，面内磁化层的磁矩方向相对水平面平行，直流电垂直于垂直磁化层流入并经过面内磁化层。
7.根据权利要求1所述的一种垂直电流驱动双层纳米带内横向畴壁振荡的振荡器，其特征在于，垂直磁化层和面内磁化层叠加形成单个纳米带，若干个所述纳米带排列成一行，每个纳米带之间的间距为60nm。
8.根据权利要求1所述的一种垂直电流驱动双层纳米带内横向畴壁振荡的振荡器，其特征在于，垂直磁化层和面内磁化层叠加形成单个纳米带，若干个所述纳米带排列成两行N列，每个纳米带行与列之间的间距均为60nm。
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