CN113363377A - 一种基于铁磁斯格明子手性转换的微波振荡器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及纳米自旋电子器件领域，针对铁磁斯格明子的纳米振荡器振荡频率低的问题，提供一种基于铁磁斯格明子手性转换的微波振荡器，微波振荡器为柱状多层膜结构，包括将垂直穿过的电流极化生成极化电流的固定层，设置在固定层下面的隧穿绝缘层和设置在隧穿绝缘层下面的自由层；所述自由层为承载斯格明子的铁磁纳米盘，磁矩方向与多层纳米磁盘所在平面垂直。本发明以斯格明子的手性转换及呼吸模式输出振荡信号，振荡信号到达几十GHz；运算器以能发生手性转换的斯格明子为基础，极大地缩小了器件的尺寸，提高了输出频率；输出频率可通过调控电流密度或自由层的材料参数进行调节。

Description

一种基于铁磁斯格明子手性转换的微波振荡器
技术领域
本发明涉及纳米自旋电子器件领域，尤其是涉及一种基于铁磁斯格明子手性转换的微波振荡器。
背景技术
作为一种受拓扑保护的纳米尺度自旋结构，磁斯格明子由于取向与局部磁矩一致而表现出双扭转结构。斯格明子的大小和特殊扭曲程度主要取决于不同能量项之间的铁磁交换能和Dzyaloshinskii-Moriya相互作用能(DMI)之间的竞争。由于其潜在的小尺寸和易于被超低密度自旋极化阈值电流驱动的能力，斯格明子作为未来高密度低能耗存储设备中的信息载体提供了光明的前景。例如专利CN109949842A公开了一种基于磁斯格明子的赛道存储器，专利CN110190181A公开了一种基于磁斯格明子的二极管。当电流流过磁多层膜时，局部磁矩会承受自旋-转移力矩(STT)，由于STT在一段振荡周期内平均补偿固有磁阻尼，从而产生斯格明子在纳米盘上做周期运动的动态现象，是系统对外部电流的周期性响应，基于这种现象可以设计斯格明子自旋-转移力矩纳米振荡器(STNOs)。
由于斯格明子STNOs的阈值电流比传统STNOs低两个数量级，且斯格明子STNOs由于其体积小(通常为5-100nm)、稳定可靠、频率范围宽而被认为具有很大的发展潜力。目前科研人员主要集中于研究铁磁斯格明子纳米振荡器，这类纳米振荡器是指电流驱动斯格明子在铁磁纳米盘上做周期运动，但是这种振荡器的振荡频率低(大约1GHz)，满足不了全部的实际需求，据此需要一种理想的解决方法。
发明内容
本发明为了克服铁磁斯格明子的纳米振荡器振荡频率低的问题，提供一种基于铁磁斯格明子手性转换的微波振荡器，以斯格明子的手性转换及呼吸模式输出振荡信号，振荡频率可由施加电流的密度和类型以及各向异性常数和铁磁交换系数等物理参数来调节。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于铁磁斯格明子手性转换的微波振荡器，微波振荡器为柱状三层膜结构，包括将垂直穿过的电流极化生成极化电流的固定层，设置在固定层下面的隧穿绝缘层和设置在隧穿绝缘层下面的自由层；所述自由层为承载斯格明子的铁磁纳米盘，磁矩方向与纳米磁盘所在平面垂直。
不同于反铁磁磁斯格明子微波振荡器，本发明提供一种基于铁磁斯格明子手性转换的微波振荡器。固定层的磁晶各向异性是垂直平面的，并且具有强的自旋极化。向设备中施加自旋极化电流，足够强的自旋极化流施加自旋转移矩作用到下面的自由层上，作为自由层的铁磁纳米盘中心的磁矩将逐渐翻转然后形成磁斯格明子。在自旋转移矩的驱动下，磁斯格明子将在铁磁纳米盘发生周期性的手性转换及呼吸模式。运算器以能发生手性转换的斯格明子为基础，极大地缩小了器件的尺寸，提高了输出频率。振荡器输出频率可通过调控电流密度或自由层的材料参数进行调节。
作为优选，所述固定层和隧穿绝缘层为半径10-30nm的圆盘。
作为优选，所述自由层为半径40-60nm的圆盘。
作为优选，所述微波振荡器每层的厚度为4-5nm。
作为优选，微波振荡器由所述固定层、隧穿绝缘层、自由层和设置在自由层下方的重金属层组成，重金属层用于产生稳定斯格明子的DMI相互作用。现有技术中用反铁磁磁斯格明子微波振荡器需要多层纳米盘，本发明除了重金属层只需三层纳米盘(固定层，隧穿绝缘层和自由层)即可实现高频振荡。
作为进一步优选，所述重金属层为1-3nm厚的铂，铱或钽金属层。铂，铱或钽具有强的自旋轨道耦合，诱导出的DMI用来稳定磁斯格明子。
作为优选，所述微波振荡器磁矩的变化遵循Laudau-Lifshitz-Gilbert公式
Figure BDA0003071685960000021
微波振荡器磁矩的变化可通过相关微磁模拟软件预测其输出频率。
作为优选，所述电流的电流密度为100-220MA/cm2。
作为优选，微波振荡器的输出频率最高为90GHz。基于铁磁斯格明子运动特性，只施加一个直流电流，无需外磁场，就能使该振荡信号到达几十GHz。
因此，本发明的有益效果为：(1)本发明以斯格明子的手性转换及呼吸模式输出振荡信号，振荡信号到达几十GHz；(2)运算器以能发生手性转换的斯格明子为基础，极大地缩小了器件的尺寸，提高了输出频率；(3)输出频率可通过调控电流密度或自由层的材料参数进行调节。
附图说明
图1是本发明微波振荡器的结构示意图；
图2是本发明微波振荡器使用时的示意图；
图3是电流密度对输出频率的调控图；
图4是锯齿形电流下的输出频率图；
图5是材料参数对输出频率的调控图。
图1中，1固定层，2隧穿绝缘层，3自由层，4重金属层。
具体实施方式
下面通过具体实施例，对本发明的技术方案做进一步说明。
本发明中，若非特指，所采用的原料和设备等均可从市场购得或是本领域常用的，实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。
实施例1
一种基于铁磁斯格明子手性转换的微波振荡器，如图1和2所示，微波振荡器为柱状多层膜结构，由垂直穿过的电流极化生成极化电流的固定层1，设置在固定层1下面的隧穿绝缘层2，设置在隧穿绝缘层2下面的自由层3，设置在自由层3底面的重金属层4组成，四层同轴设置。所述自由层3为承载斯格明子的铁磁纳米盘，磁矩方向与多层纳米磁盘所在平面垂直，自由层3在自旋电流下产生的斯格明子会周期性的手性转换。所述重金属层4是3nm厚的圆柱体的铂金属层，用于产生稳定斯格明子的DMI相互作用。固定层1、隧穿绝缘层2和自由层3均为厚度4nm的圆柱体，固定层1和隧穿绝缘层2的半径为20nm，自由层3的半径为50nm，重金属层4的半径不小于自由层3即可，本实施例中为50nm。所述微波振荡器磁矩的变化遵循Laudau-Lifshitz-Gilbert公式
Figure BDA0003071685960000031
微波振荡器磁矩的变化可通过相关微磁模拟软件预测其输出频率。
本发明微波振荡器的输出频率可通过调控电流密度或自由层的材料参数进行调节。如图3所示，通过电流密度对输出频率进行调控。电流密度小于100MA/cm2时，无稳定的斯格明子产生，无频率输出；电流密度大于220MA/cm2时，斯格明子不发生手性转换，输出频率为零；电流密度介于上述两个数值之间时，磁矩周期性振荡，斯格明子发生手性转换，对外输出特定频率。
测试一、将自旋极化电流更改为周期变化的矩形电流
如图4所示，输出频率能够随着输入电流密度实时调控。将斯格明子不发生手性转换定位0，发生手性转换定位1，可实现逻辑器件的编码。说明通过自旋电流密度的调控，可实现任意形式的频率输出模式。
测试二、输入电流密度固定不变，通过调控自由层的材料参数对输出频率进行调控
1.如图5所示，输出频率与材料的垂直各向异性常数成正比，f＝8.50124*K-6.37998，式中f为输出频率，K为垂直各向异性常数；
2.如图5所示，输出频率与材料的铁磁交换常数成正比，f＝1.82395*A-7.97114，式中f为输出频率，A为铁磁交换常数。
实施例2
与实施例1的区别在于，固定层和隧穿绝缘层的半径为10nm，自由层的半径为40nm，三者的厚度均为4nm。金属层为1nm厚的铱金属层。
实施例3
与实施例1的区别在于，固定层和隧穿绝缘层的半径为30nm，自由层的半径为60nm，三者的厚度均为4nm。金属层为2nm厚的钽金属层。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种基于铁磁斯格明子手性转换的微波振荡器，其特征在于，微波振荡器为柱状多层膜结构，包括将垂直穿过的电流极化生成极化电流的固定层，设置在固定层下面的隧穿绝缘层和设置在隧穿绝缘层下面的自由层；所述自由层为承载斯格明子的铁磁纳米盘，磁矩方向与多层纳米磁盘所在平面垂直。
2.根据权利要求1所述的一种基于铁磁斯格明子手性转换的微波振荡器，其特征在于，所述固定层和隧穿绝缘层为半径10-30nm的圆盘。
3.根据权利要求1所述的一种基于铁磁斯格明子手性转换的微波振荡器，其特征在于，所述自由层为半径40-60nm的圆盘。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种基于铁磁斯格明子手性转换的微波振荡器，其特征在于，所述微波振荡器每层的厚度为4-5nm。
5.根据权利要求1所述的一种基于铁磁斯格明子手性转换的微波振荡器，其特征在于，微波振荡器由所述固定层、隧穿绝缘层、自由层和设置在自由层下方的重金属层组成，重金属层用于产生稳定斯格明子的DMI相互作用。
6.根据权利要求5所述的一种基于铁磁斯格明子手性转换的微波振荡器，其特征在于，所述重金属层为1-3nm厚的铂，铱或钽金属层。
7.根据权利要求1所述的一种基于铁磁斯格明子手性转换的微波振荡器，其特征在于，所述微波振荡器磁矩的变化遵循Laudau-Lifshitz-Gilbert公式
Figure FDA0003071685950000011
8.根据权利要求1所述的一种基于铁磁斯格明子手性转换的微波振荡器，其特征在于，所述电流的电流密度为100-220MA/cm2。
9.根据权利要求1所述的一种基于铁磁斯格明子手性转换的微波振荡器，其特征在于，微波振荡器的输出频率最高为90GHz。
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