CN209859975U - 一种基于反铁磁斯格明子的微波振荡器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种基于反铁磁斯格明子的微波振荡器，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；所述的自由层为承载斯格明子的反铁磁纳米盘，在所述的反铁磁纳米盘露出隧穿绝缘层的部分上覆盖有第二隧穿绝缘层，在所述的第二隧穿绝缘层上覆盖有金属层；在金属层与反铁磁纳米盘之间引出微波振荡器的输出振荡信号。本实用新型提出的振荡器用反铁磁纳米盘去承载斯格明子，振荡频率可达到几十GHz。
Description
技术领域
本实用新型涉及纳米自旋电子器件领域，特别涉及一种基于反铁磁斯格明子的微波振荡器。
背景技术
近年来，对反铁磁的研究呈现出势不可挡的趋势 [V. Baltz, et al.“Antiferromagnetic spintronics” Rev. Mod. Phys. 90, 015005 (2018).]。由于反铁磁具有超快的磁动力学、没有杂散场，以及能抵抗磁场干扰等优点，使得其在先进的自旋电子器件中扮演重要的角色。
操控磁性材料是不可或缺的。1996年，Slonczewski和Berger各自独立地提出了一种有效的操控磁性材料的纯电学方式，即利用自旋转移矩(STT)。基于自旋转移矩效应，可以构建先进的磁设备，例如自旋转移矩-磁随机存储器和微波振荡器。其中，自旋矩振荡器是能产生微波信号的器件，它具有结构简单、尺寸小、振荡频率可调和低能耗等优点，有巨大的应用前景。[Z. Zeng, et al. Nanoscale 5, 2219 (2013).]其基本原理如下：当一个外加电流通过一个铁磁层（也被称为固定层），电流将变为自旋极化电流。然后，自旋极化电流流经第二个铁磁层（自由层），极化流将施加自旋矩（即STT）去驱使自由层的磁矩进动。接下来，利用磁阻效应把磁矩进动转换为磁电阻，进而输出微波信号。根据STT驱动对象的不同，自旋矩振荡器大致可分为三种类型：第一类，正如刚才提及的，STT驱使磁矩进动；第二类，STT驱动磁涡旋振荡；第三类，STT驱动磁斯格明子运动。从应用的角度来说，第一类振荡器或多或少面临一些问题，例如需要提高功率以及降低线宽。虽然第二类振荡器能降低线宽，但是振荡频率不高。近来，基于电流驱动磁斯格明子的纳米振荡器（即第三类振荡器）正引起人们的注意，这种振荡器线宽窄，尺寸小，驱动电流低并且能提高输出功率。[C. Jin,et al. Phys. Rev. Applied 9, 044007 (2018).]
对于磁斯格明子，它是拓扑保护的磁结构，能稳定于对称性破缺的材料中，如FeCoSi，Pt/Co/MgO。基于磁斯格明子的纳米振荡器是最近几年才提出的新型微波振荡器，在走向实际应用的道路上仍有许多亟待解决的问题。例如：目前多数科研人员集中于研究基于铁磁斯格明子的纳米振荡器，但是这种振荡器的振荡频率低，不能满足实际需求。常规的铁磁斯格明子振荡器依赖于电流驱动斯格明子在铁磁纳米盘上做周期运动，它的振荡频率小(大约1 GHz)。
实用新型内容
本实用新型是针对目前铁磁斯格明子的纳米振荡器振荡频率低，不能满足实际需求的不足，提供一种基于反铁磁斯格明子的微波振荡器。
本实用新型为实现其技术目的所采用的技术方案是：一种基于反铁磁斯格明子的微波振荡器，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；所述的自由层为承载斯格明子的反铁磁纳米盘，在所述的反铁磁纳米盘露出隧穿绝缘层的部分上覆盖有第二隧穿绝缘层，在所述的第二隧穿绝缘层上覆盖有金属层；在金属层与反铁磁纳米盘之间引出微波振荡器的输出振荡信号。
本实用新型提出的振荡器用反铁磁纳米盘去承载斯格明子，振荡频率可达到几十GHz。
进一步的，上述的基于反铁磁斯格明子的微波振荡器中：所述的固定层和隧穿绝缘层为直径小于反铁磁纳米盘直径的圆盘，固定层和隧穿绝缘层、反铁磁纳米盘的圆心在同一直线上，第二隧穿绝缘层和金属层与固定层和隧穿绝缘层非接触地设置在反铁磁纳米盘边缘。
进一步的，上述的基于反铁磁斯格明子的微波振荡器中：在反铁磁纳米盘底面支撑的是重金属层，所述的重金属层的面积大于反铁磁纳米盘底面积。
进一步的，上述的基于反铁磁斯格明子的微波振荡器中：所述的重金属层具有强的自旋轨道耦合，用于产生能稳定斯格明子的DMI，是1-3纳米厚的铂，铱或钽。
进一步的，上述的基于反铁磁斯格明子的微波振荡器中：在所述的固定层的上面和重金属层下面分别设置50-200纳米厚的铂形成顶部电极层和底部电极层，电源设置在顶部电极层和底部电极层之间，电源阳极加到顶部电极层上。
进一步的，上述的基于反铁磁斯格明子的微波振荡器中：所述的底部电极层设置在500-700纳米厚的氧化硅衬底层上。
进一步的，上述的基于反铁磁斯格明子的微波振荡器中：所述的反铁磁纳米盘由包括铱锰和铂锰在内的锰合金组成的直径60-200纳米，厚0.5-1.5纳米的圆盘。
进一步的，上述的基于反铁磁斯格明子的微波振荡器中：所述的隧穿绝缘层和第二隧穿绝缘层是1-2.5纳米厚的氧化镁。
进一步的，上述的基于反铁磁斯格明子的微波振荡器中：所述的金属层是10纳米厚的铂。
进一步的，上述的基于反铁磁斯格明子的微波振荡器中：所述的固定层是厚4-5纳米，直径20-40纳米的钴铂多层膜。
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行进一步的说明。
附图说明
附图1是本实用新型基于反铁磁斯格明子的微波振荡器结构示意图。
附图2是本实用新型涉及到的反铁磁斯格明子的自旋结构图。
附图3示出反铁磁斯格明子在x和y方向的位移随时间的演化。
附图4示出基于反铁磁斯格明子的微波振荡器在不同直流电流下的振荡频率。
具体实施方式
实施例1，本实施例是一种反铁磁斯格明子的微波振荡器，如图1所示，本实施例的反铁磁斯格明子的微波振荡器是一种柱状多层膜结构的振荡器，在衬底1上设置一个振荡器的输入电源的电极，称为底部电极层2，它与柱状多层膜结构顶部的顶部电极层9分别接电源的阴极和阳极，在底部电极层2和顶部电极层9之间的柱状多层膜结构依次是重金属层3、反铁磁纳米盘4、隧穿绝缘层5、固定层7；它们是圆心在同一条直线上的圆柱，也称圆盘，重金属层3的面积大于反铁磁纳米盘4的面积，而反铁磁纳米盘4的面积又大于隧穿绝缘层5的面积，在反铁磁纳米盘4上，隧穿绝缘层5的边缘，与隧穿绝缘层5不相接触地设置有第二隧穿绝缘层6，在第二隧穿绝缘层6上面是金属层8，从金属层8和反铁磁纳米盘4之间引出的信号就是振荡器输出的振荡信号。
其中，衬底层1是500-700纳米厚的氧化硅SiO2；底部电极层2和顶部电极9还有金属层8都是铂Pt金属，金属层8是一层10纳米厚的铂Pt金属，而上、下两个电极层则是50-200纳米厚的铂Pt。重金属层3是1-3纳米厚的铂Pt，铱Ir或钽Ta，这里的重金属具有强的自旋轨道耦合，用于产生能稳定斯格明子的DMI。反铁磁纳米盘4是本实施例中，振荡器振荡频率高的关键，它包括但不限于锰合金，如铱锰IrMn和铂锰PtMn，反铁磁纳米盘4用于承载斯格明子，其尺寸为：直径60-200纳米，厚0.5-1.5纳米。隧穿绝缘层5和第二隧穿绝缘层6均是1-2.5纳米厚的氧化镁（MgO）。固定层7是产生极化电流的，它是一层钴铂多层膜(Co/Pt)n，其尺寸为：厚4-5纳米，直径20-40纳米，固定层7的磁晶各向异性是垂直平面的，并且具有强的自旋极化。
本实施例中，在两个电极之间加入电压以后，有一个直流电流通过固定层7时，由于固定层7具有强的自旋极化，因此电流变为自旋极化电流；足够强的自旋极化流施加自旋转移矩作用到下面的反铁磁纳米盘4上，反铁磁纳米盘4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，磁斯格明子将在反铁磁纳米盘4上做稳定的圆周运动；利用隧穿磁阻效应，检测出反铁磁纳米盘4、第二隧穿绝缘层6和金属层8的磁电阻；对于磁斯格明子存在于第二隧穿绝缘层6区域，对应高电阻态，反之，对应低电阻态；因此，利用磁阻效应可以检测出斯格明子的运动情况，进而输出振荡信号。
本实施例中，基于电流驱动反铁磁斯格明子的微波振荡器结构示意图如图1所示。利用磁控溅射依次把底部电极层2，重金属层3, 反铁磁纳米盘4，隧穿绝缘层5和第二隧穿绝缘层6，固定层7，顶部电极层9沉积在衬底层1上，再经过离子束刻蚀除去多余的部分，加工出纳米柱状多层膜结构。紧接着剥离第二隧穿绝缘层6上的磁性多层膜，淀积下金属层8。
本实施例中，衬底层1的材料是氧化硅。底部电极层2的材料包括但不限于金属铂。重金属层3的材料是铂、铱或钽。上述重金属具有强的自旋轨道耦合，诱导出的DMI用来稳定磁斯格明子。反铁磁纳米盘4的材料包括但不限于锰合金，如铱锰和铂锰，该反铁磁层用于承载斯格明子。隧穿绝缘层5和第二隧穿绝缘层6的材料包括但不限于氧化镁。固定层7的材料是钴铂多层膜，该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。上述普通金属层和顶部电极层的材料包括但不限于金属铂。
当直流电流流经固定层7时，电流获得与固定层磁化方向相同的自旋角动量，此时电流变为自旋极化电流。该自旋极化电流将施加自旋转移矩作用到反铁磁纳米盘4上，然后驱动磁斯格明子做稳定的圆周运动。最后利用磁阻效应检测出斯格明子的运动情况，进而输出振荡信号。基于反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。
图2示出本实用新型涉及到的反铁磁斯格明子的自旋结构，其尺寸范围为：几纳米到几百纳米。
实践中，固定层7的直径为20纳米、厚为5纳米，磁化方向垂直于平面，并且该固定层的自旋极化率为0.4。利用电极层注入电流密度为30 MA/cm2的直流电流，该电流经过上述固定层将变为自旋极化电流，极化方向与固定层7的磁化方向一致。如此一个自旋极化流将施加类阻尼自旋矩作用到反铁磁纳米盘4上。在自旋矩的驱动下，反铁磁斯格明子将做稳定的圆周运动，x和y方向位移的演化如图3所示。这里选取KMnF3为反铁磁层材料[J.Barker and O. A. Tretiakov, Phys. Rev. Lett. 116, 147203 (2016).]，并且其直径设为100纳米、厚度为1纳米。从上述图中可以看到，在零磁场下外加直流电流（电流密度为30 MA/cm2）激发的微波振荡频率在19 GHz左右。
图4示出在不同外加直流电流下反铁磁斯格明子的振荡频率，可以看到只需改变电流就可调控微波振荡频率。
Claims (10)
1.一种基于反铁磁斯格明子的微波振荡器，包括将垂直穿过的电流极化生成极化电流的固定层（7）、设置在固定层（7）下面的隧穿绝缘层（5）和设置在隧穿绝缘层（5）下面的自由层；其特征在于：所述的自由层为承载斯格明子的反铁磁纳米盘（4），在所述的反铁磁纳米盘（4）露出隧穿绝缘层（5）的部分上覆盖有第二隧穿绝缘层（6），在所述的第二隧穿绝缘层（6）上覆盖有金属层（8）；在金属层（8）与反铁磁纳米盘（4）之间引出微波振荡器的输出振荡信号。
2.根据权利要求1所述的基于反铁磁斯格明子的微波振荡器，其特征在于：所述的固定层（7）和隧穿绝缘层（5）为直径小于反铁磁纳米盘（4）直径的圆盘，固定层（7）和隧穿绝缘层（5）、反铁磁纳米盘（4）的圆心在同一直线上，第二隧穿绝缘层（6）和金属层（8）与固定层（7）和隧穿绝缘层（5）非接触地设置在反铁磁纳米盘（4）边缘。
3.根据权利要求2所述的基于反铁磁斯格明子的微波振荡器，其特征在于：在反铁磁纳米盘（4）底面支撑的是重金属层（3），所述的重金属层（3）的面积大于反铁磁纳米盘（4）底面积。
4.根据权利要求3所述的基于反铁磁斯格明子的微波振荡器，其特征在于：所述的重金属层（3）具有强的自旋轨道耦合，用于产生能稳定斯格明子的DMI，是1-3纳米厚的铂，铱或钽。
5.根据权利要求3所述的基于反铁磁斯格明子的微波振荡器，其特征在于：在所述的固定层（7）的上面和重金属层（3）下面分别设置50-200纳米厚的铂形成顶部电极层（9）和底部电极层（2），电源设置在顶部电极层（9）和底部电极层（2）之间，电源阳极加到顶部电极层（9）上。
6.根据权利要求5所述的基于反铁磁斯格明子的微波振荡器，其特征在于：所述的底部电极层（2）设置在500-700纳米厚的氧化硅衬底层（1）上。
7.根据权利要求1至6中任一所述的基于反铁磁斯格明子的微波振荡器，其特征在于：所述的反铁磁纳米盘（4）由包括铱锰和铂锰在内的锰合金组成的直径60-200纳米，厚0.5-1.5纳米的圆盘。
8.根据权利要求7所述的基于反铁磁斯格明子的微波振荡器，其特征在于：所述的隧穿绝缘层（5）和第二隧穿绝缘层（6）是1-2.5纳米厚的氧化镁。
9.根据权利要求7所述的基于反铁磁斯格明子的微波振荡器，其特征在于：所述的金属层（8）是10纳米厚的铂。
10.根据权利要求7所述的基于反铁磁斯格明子的微波振荡器，其特征在于：所述的固定层（7）是厚4-5纳米，直径20-40纳米的钴铂多层膜。
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