CN114388689A - 基于磁子晶体的自旋波开关和滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于磁子晶体的自旋波开关和滤波器。根据一实施例，一种磁子晶体器件可包括铁磁层和设置在所述铁磁层上的反铁磁平面周期结构。本发明的磁子晶体器件可用作自旋波开关以对自旋波的透射系数进行有效调控，或者用作自旋波滤波器以实现对特定频率自旋波的过滤。
Description
技术领域
本发明总体上涉及磁子学和磁子器件领域，更特别地，涉及一种磁子晶体器件及包括该磁子晶体器件的自旋波开关和滤波器。
背景技术
自旋波作为磁有序介质中电子自旋子系统的本征激发，最早由Bloch于1930年提出。之后，Holstein和Primakoff以及Dyson引入了自旋波的最小量子化基元--磁激子(简称磁子)的概念。每一个磁子，都携带一个
的自旋角动量，因此可以传递自旋信息，被认为是一种很有应用前景的信息载体。磁子学就是研究利用磁子进行信息传递、储存和处理的领域。在磁子学领域里，对磁子输运的调控是非常重要的一个分支。其中，构建人工磁子晶体是调控磁子输运最有效、最常用的方法之一。
早在1976年，Sykes,Adam和Collins就已经首次在实验上研究了自旋波(磁子)在一种周期性结构中的传输特性。这个工作被认为是磁子晶体的第一个工作，尽管那时还没有磁子晶体的概念。2001年，Nikitov首次提出了磁子晶体的概念。磁子晶体，是指人工构造的磁学性质周期性变化的介质，其磁子谱相比均匀介质而言，有显著不同的特性。磁子晶体的磁子谱存在带结构，带结构中有带隙，会阻止某些频率的自旋波(磁子)通过。所有的磁子晶体都是利用这种频率选择特性，实现对自旋波(磁子)传输的人工调控。
根据考虑的相互作用的类型，自旋波主要可分为2种：(1)偶极相互作用主导的自旋波(静磁自旋波)；(2)偶极和交换相互作用共存的偶极-交换自旋波；(3)交换相互作用主导的自旋波(交换自旋波)。其中，静磁自旋波是一种波长比较长的波，频率一般在0.5GHz～10GHz之间；交换自旋波是一种短波长的波(波长一般小于100nm)，频率较高，一般在20GHz～1THz之间；偶极-交换自旋波则介于两者之间。基于静磁自旋波的磁子晶体器件，其优势是器件加工难度小，自旋波的激发与探测易于实现；而基于交换自旋波的磁子晶体器件，其优势是器件尺寸小、信息处理速度快。
基于静磁自旋波的磁子晶体，在实验上更易实现，因此传统的磁子晶体器件，绝大多数都是基于静磁自旋波，并没有涵盖交换自旋波和偶极-交换自旋波。这将在一定程度上限制未来磁子器件性能的提高。
除了上面提到的缺点，传统的磁子晶体还存在器件功能单一，难以电学操控的问题。可见，传统的磁子晶体，对于器件应用仍有许多不足。因此，需要继续探索新的磁子晶体，以克服现有技术中的上述或其他不足之处。
发明内容
本发明的一个方面提供一种磁子晶体器件，包括：铁磁层；以及设置在所述铁磁层上的反铁磁平面周期结构。
在一些实施例中，所述反铁磁平面周期结构包括：沿第一方向延伸且沿与所述第一方向垂直的第二方向周期性排列的多个反铁磁条状结构；或者布置成二维阵列的多个反铁磁点状结构。
在一些实施例中，所述反铁磁条状结构具有长方形、正方形、三角形、梯型或半圆形截面形状，所述反铁磁点状结构具有圆形、环形、多边形或空心多边形形状。
在一些实施例中，所述反铁磁平面周期结构的周期数N在5以上，所述反铁磁平面周期结构中的每个结构单元的宽度在100μm～3nm之间，相邻的两个结构单元之间的间距也在100μm～3nm之间，相应地，磁子晶体器件的工作频率可以在0.5GHz～1THz之间。
在一些实施例中，所述铁磁层具有0.5nm～15nm的厚度，所述反铁磁平面周期结构具有1nm～15nm的厚度。
在一些实施例中，所述磁子晶体器件还包括：设置在所述铁磁层的与所述反铁磁平面周期结构相反的一侧并且与所述铁磁层相接触的自旋霍尔效应层，所述自旋霍尔效应层用于翻转所述铁磁层的磁矩。
本发明的一个方面提供一种自旋波开关，其包括上述磁子晶体器件中的任意一种。
在一些实施例中，由所述自旋波开关导通或关断的自旋波的频率在0.5GHz～1THz的范围。
本发明的一个方面提供一种自旋波滤波器，其包括上述磁子晶体器件中的任意一种。
在一些实施例中，由所述自旋波滤波器进行滤波的自旋波的频率在0.5GHz～1THz的范围。
本发明的上述和其他特征和优点将从下面结合附图对示例性实施例的描述变得显而易见。
附图说明
图1A是根据本发明一示例性实施例的磁子晶体器件的层结构示意图，其中铁磁层的磁矩在x方向。
图1B是根据本发明一示例性实施例的磁子晶体器件的层结构示意图，其中铁磁层的磁矩在y方向。
图1C是根据本发明一示例性实施例的磁子晶体器件的层结构示意图，其中铁磁层的磁矩在z方向。
图2是根据本发明一示例性实施例的自旋波(磁子)开关的透射谱。
图3是根据本发明一示例性实施例的自旋波(磁子)滤波器的滤波特性。
具体实施方式
传统的磁子晶体器件只能调控静磁自旋波的传输，工作频率大多在0.5GHz～10GHz之间，且器件功能单一，难以电学操控。本发明人提出一种新的磁子晶体器件，既可用于调控静磁自旋波，也可用于调控交换自旋波和偶极-交换自旋波；工作频率可在0.5GHz～1THz之间变化；器件尺寸可以在百纳米量级或者更小，也可在微米、毫米量级；并且可以通过电流操控。该磁子晶体器件主要有两种功能，一是用作自旋波(磁子)开关，可以高效调控自旋波的透射系数；二是用作自旋波(磁子)滤波器，可以过滤特定频率的自旋波(磁子)。这两种器件，都是构建高频纳米磁子器件的重要单元。
需要说明的是，本发明人提出的磁子晶体器件中的铁磁层的磁矩可以有x、y、z三个方向，分别对应三种构型，分别是(1)Type x；(2)Type y；(3)Type z。这三种构型分别如图1A、图1B和图1C所示，其中Type x和Type y对应于面内磁矩，Type z对应于面外磁矩，或者也称为垂直磁矩。在这三种构型下，自旋波透射谱是完全一样的，即器件功能完全一样，因此实际应用中可根据具体需要选择合适的构型。
图1A是根据本发明一示例性实施例的磁子晶体器件100的层结构示意图，这种构型称为Type x。如图1A所示，磁子晶体器件100包括铁磁层110和形成在铁磁层110上的反铁磁平面周期结构120。反铁磁平面周期结构120可包括一维或者二维排列的周期结构。例如，在一些实施例中，反铁磁平面周期结构120可包括沿第一方向延伸且沿与第一方向垂直的第二方向周期性排列的多个反铁磁条状结构，例如如图1A所示，第一方向是y轴方向，第二方向是x轴方向。或者，反铁磁平面周期结构120可包括沿第一方向和第二方向布置成二维阵列的多个反铁磁点状结构。例如，这里论述的反铁磁条状结构可具有长方形、正方形、三角形、梯型或半圆形等截面形状，这里论述的反铁磁点状结构可具有圆形、环形、多边形或空心多边形形状。应理解，本发明的原理不限于特定的反铁磁结构形状。在图1A所示的这种构型下，反铁磁平面周期结构120的交换偏置场Heb始终沿+x方向，铁磁层110的磁矩M可以沿+x，也可以沿-x，分别对应两个态：State 1和State 2。
State 1和State 2可以借助自旋轨道力矩(spin-orbit torque,SOT)效应进行脉冲电流方式的驱动和切换。例如，可以在铁磁层110的与反铁磁平面周期结构120相反的一侧形成自旋霍尔效应层，一般为重金属层，例如常用的Pt层或Ta层等。在重金属层中通一个方向的电流，由于自旋霍尔效应，电荷流产生自旋流，对铁磁层110的磁矩M施加一个SOT的作用，在一定条件下，例如电流密度足够大时，可使铁磁层110的磁矩M发生翻转，比如从+x变为-x，也就是磁子晶体器件100由State 1变为State 2。然后，在重金属层中通反方向的电流，可使磁矩M从-x恢复到+x，也就是磁子晶体器件100由State 2恢复为State 1。因此，通过控制电流方向，可以实现State1和State 2的切换。应理解的是，在进行SOT翻转时，可以施加一个+z方向的辅助磁场Hz，辅助磁场Hz可以是外加磁场，也可以通过层间耦合场、dipole场、偏置场等方式来实现，或者还可以是由电场产生的等效磁场。因此，这种双态切换可以是全电学操控的。SOT磁翻转的机制是本领域熟知的，因此这里不再对其详细描述。由于State 1和State 2的透射谱是不同的，因此，对于某些特定频率的自旋波(磁子)，存在这样的情况，即在某一个态几乎可以完全通过磁子晶体，而在另一个态几乎被全反射，无法通过磁子晶体。所以，通过利用SOT切换State 1和State 2，就可以实现对于某些特定频率的自旋波(磁子)的“开”和“关”，构造一种新型的自旋波(磁子)开关器件。另一方面，特定状态例如State 1或State 2的磁子晶体器件100可用作自旋波滤波器，例如滤除特定频率的自旋波，而允许其他频率的自旋波通过，即带阻型滤波器。当在State 1和State 2之间切换时，磁子晶体器件100的滤除频带会发生变化。可以理解，当用作自旋波开关或滤波器时，在磁子晶体器件100的一侧(例如在图1A中在器件左侧或右侧)注入自旋波，在相对侧(例如在图1A中在器件右侧或左侧)检测自旋波。
图1B是根据本发明一示例性实施例的磁子晶体器件100的层结构示意图，这种构型称为Type y。与Type x类似，磁子晶体器件100包括铁磁层110和反铁磁平面周期结构120。与图1A不同的是，在这种构型下，反铁磁平面周期结构120的交换偏置场Heb始终沿-y方向，铁磁层110的磁矩M可以沿-y，也可以沿+y，分别对应两个态：State 1和State 2。
同样地，Type y构型的State 1和State 2也可以借助SOT进行切换。可以在铁磁层110的底部生长一重金属层，在重金属层中通不同方向的电流，电流产生的SOT可使磁矩M由-y变为+y，或者反之，也就是磁子晶体器件100在State 1和State 2之间切换。因此，同Type x一样，Type y构型下的磁子晶体器件100，也可以构造一种新型的自旋波(磁子)开关器件或滤波器件。
图1C是根据本发明一示例性实施例的磁子晶体器件100的层结构示意图，这种构型称为Type z。与前两种构型类似，磁子晶体器件100包括铁磁层110和反铁磁平面周期结构120。不同的是，在这种构型下，反铁磁周期结构120的交换偏置场Heb始终沿+z方向。铁磁层120的磁矩M可以沿+z，也可以沿-z，分别对应两个态：State 1和State 2。
同样地，Type z构型的State 1和State 2也可以借助重金属层进行切换。可以在铁磁层110的底部生长一重金属层，在重金属层中通不同方向的电流，电流产生的SOT可使磁矩M由+z变为-z，或者反之，也就是磁子晶体器件100在State 1和State 2之间切换。因此，同前两种构型一样，Type z构型下的磁子晶体器件100，也是一种新型的自旋波(磁子)开关器件或滤波器件。
可理解的是，对于Type z构型，与Type x类似，实现SOT磁翻转时也可以利用一个辅助磁场，即一个+x方向的磁场Hx。辅助磁场Hx可以通过层间耦合场、dipole场、或偏置场等方式来实现。因此，Type z构型的双态切换仍然是全电学操控，不需要外加磁场。
对于上述反铁磁平面周期结构120，如前所述，包括但不限于一维或二维周期性排列结构。例如，在一些实施例中，反铁磁平面周期结构120可包括沿第一方向延伸且沿与第一方向垂直的第二方向周期性排列的多个反铁磁条状结构，例如如图1A、1B和1C所示，第一方向是y轴方向，第二方向是x轴方向。或者，反铁磁平面周期结构120可包括沿第一方向和第二方向布置成二维阵列的多个反铁磁点状结构。例如，这里论述的反铁磁条状结构可具有长方形、正方形、三角形、梯型或半圆形等截面形状，这里论述的反铁磁点状结构可具有圆形、环形、多边形或空心多边形形状。应理解，本发明的原理不限于特定的反铁磁结构形状。
对于反铁磁平面周期结构120，其周期数N一般在5以上，更优选地在10以上。计算表明，当周期数N为5以上时，磁子晶体器件100的两种状态，即State 1和State 2，对特定频率的自旋波表现出不同的透射率，并且随着周期数N增大，这种透射率差异变得更加显著。当周期数N达到10以上时，透射率差异可达到90％以上，例如State 1对应的透射率为10％以下，State 2对应的透射率为大约100％。虽然可使用很大的周期数N，但是从便于制造的角度，周期数N可以为1000以下，优选为100以下。
反铁磁平面周期结构中的每个结构单元的宽度或直径在100μm～3nm之间，相邻的两个结构单元之间的间距也在100μm～3nm之间，相应地，磁子晶体器件的工作频率可以在0.5GHz～1THz之间。计算表明，结构单元的尺寸(宽度或直径)以及结构单元之间的间距的大小会影响磁子晶体器件100对自旋波的透射谱。具体而言，当结构单元的尺寸(宽度或直径)以及结构单元之间的间距的大小发生变化时，磁子晶体器件100阻断的自旋波频带也会相应的发生变化。因此，可以根据期望阻断的自旋波频带来选择结构单元的尺寸和间距。
铁磁层110一般可具有0.5nm～15nm的厚度，从便于翻转磁矩、维持自旋波的传输以及便于制造的角度考虑，更优选地为0.5nm～3nm的厚度，反铁磁平面周期结构120一般可具有1nm～15nm的厚度。应理解的是，可以根据铁磁层110和反铁磁平面周期结构120的材料来选择适当的厚度。
对于材料的选择，铁磁层110包括但不限于：Fe、Co、Ni、Mn、稀土元素及其金属合金，如CoFeB、NiFe、SmCo5、Sm2Co17、Nd2Fe14B等铁磁薄膜；Heusler合金；磁性金属氧化物Fe3O4；石榴石R3Fe5O12，其中R是Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu；以及Co2S2、CoBr2、CoC2、Cr2C、CrBr3、CrC2、CrGaTe3、CrI3、CrOBr、CrWGe2Te6、CrWI6、ErSe、EuOBr、FeBr2、FeC2、Fe3GeTe2、FeI2、MnC2、NiBr2、NiC2、NiI2、VC2的其中一种铁磁二维材料或几种铁磁二维材料的组合。
反铁磁平面周期结构120的材料包括但不限于：MnN、IrMn、PtMn、FeMn、PdMn反铁磁薄膜；以及CrPS4、CoI2、CoO2、NiO2、CrI2、CrSe2、FeSe、MnBr2、MnCl2、MnI2、VBr2、VI2的其中一种反铁磁二维材料或几种反铁磁二维材料的组合。
本发明专利中的磁子晶体器件有一定的自旋波(磁子)工作频率范围。自旋波(磁子)的频率范围与上面描述的磁矩取向、铁磁层和反铁磁平面周期结构的材料、以及反铁磁平面周期结构的尺寸和周期性等有关，一般在0.5GHz～1THz的范围内。
可以理解的是，自旋波的传输可以在反铁磁平面周期结构的周期排列方向上。例如在图1A、1B和1C中，自旋波的激发可以在反铁磁平面周期结构的左边，接收和探测可以在反铁磁周期结构的右边，或者反之亦可。自旋波的激发方式包括但不限于：(1)GSG电极；(2)激光；(3)自旋注入。自旋波的探测方式包括但不限于：(1)GSG电极；(2)激光；(3)逆自旋霍尔效应。应理解，自旋波的激发和探测都是本领域已知的技术手段，之类不再重复描述。
图2是根据本发明一示例性自旋波(磁子)开关的透射谱的示例，也就是透射系数T与自旋波(磁子)频率f的关系。可以看到，当自旋波(磁子)的频率f在24.5GHz～25.5GHz范围内时，State 1的透射系数T1接近0，而State 2的透射系数T2几乎为1，这说明磁子晶体在State 1时，自旋波(磁子)几乎无法通过，而在State 2时，几乎完全通过。通过SOT切换State 1和State2，即可实现自旋波(磁子)的“开”与“关”。这就是全电学操控的基于磁子晶体的自旋波(磁子)开关。
本发明提出的磁子晶体器件，除了可以用作自旋波(磁子)开关，还可以用作自旋波(磁子)滤波器。图3是根据本发明一示例性自旋波(磁子)滤波器的滤波特性的示例。可以发现，对于某些频率区间的自旋波(磁子)，透射系数T非常小，自旋波(磁子)很难通过，而其他频率区间的自旋波(磁子)几乎可以完全通过，这就可以用来构造自旋波(磁子)滤波器，这里为带阻型滤波器。不同于上述自旋波(磁子)开关，自旋波(磁子)滤波器的实现只需要将磁子晶体器件固定在某一个态即可：State 1或者State 2。或者，通过切换State 1和State 2，可以改变滤波器阻断的自旋波频带。
还应理解的是，本发明的自旋波开关和滤波器可用于现有的电流操作的电路中，而且还可以应用于将来开发的磁子操作的电路中。
为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本发明的实施例完全限制在此公开的形式中。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到基于上述说明和示例及实施例的某些可以变通的变型、修改、改变、添加和子组合。
Claims (10)
1.一种磁子晶体器件，包括：
铁磁层；以及
设置在所述铁磁层上的反铁磁平面周期结构。
2.如权利要求1所述的磁子晶体器件，其中，所述反铁磁平面周期结构包括：
沿第一方向延伸且沿与所述第一方向垂直的第二方向周期性排列的多个反铁磁条状结构；或者
布置成二维阵列的多个反铁磁点状结构。
3.如权利要求2所述的磁子晶体器件，其中，所述反铁磁条状结构具有长方形、正方形、三角形、梯型或半圆形截面形状，所述反铁磁点状结构具有圆形、环形、多边形或空心多边形形状。
4.如权利要求1所述的磁子晶体器件，其中，所述反铁磁平面周期结构的周期数N在5以上，所述反铁磁平面周期结构中的每个结构单元的宽度在100μm～3nm之间，相邻的两个结构单元之间的间距也在100μm～3nm之间，相应地，磁子晶体器件的工作频率可以在0.5GHz～1THz之间。
5.如权利要求1所述的磁子晶体器件，其中，所述铁磁层具有0.5nm～15nm的厚度，所述反铁磁平面周期结构具有1nm～15nm的厚度。
6.如权利要求1所述的磁子晶体器件，还包括：
设置在所述铁磁层的与所述反铁磁平面周期结构相反的一侧并且与所述铁磁层相接触的自旋霍尔效应层，所述自旋霍尔效应层用于翻转所述铁磁层的磁矩。
7.一种自旋波开关，包括权利要求1-6中的任一项所述的磁子晶体器件。
8.如权利要求7所述的自旋波开关，其中，由所述自旋波开关导通或关断的自旋波的频率在0.5GHz～1THz的范围。
9.一种自旋波滤波器，包括权利要求1-6中的任一项所述的磁子晶体器件。
10.如权利要求9所述的自旋波滤波器，其中，由所述自旋波滤波器进行滤波的自旋波的频率在0.5GHz～1THz的范围。
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