RU2762381C1 - Ac rectifier based on inhomogeneous heterostructure - Google Patents

Ac rectifier based on inhomogeneous heterostructure Download PDF

Info

Publication number
RU2762381C1
RU2762381C1 RU2021119370A RU2021119370A RU2762381C1 RU 2762381 C1 RU2762381 C1 RU 2762381C1 RU 2021119370 A RU2021119370 A RU 2021119370A RU 2021119370 A RU2021119370 A RU 2021119370A RU 2762381 C1 RU2762381 C1 RU 2762381C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
layer
magnetization
heterostructure
ferromagnetic layer
layers
Prior art date
Application number
RU2021119370A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Петр Николаевич Скирдков
Иван Леонидович Киндяк
Георгий Андреевич Кичин
Константин Анатольевич Звездин
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью «Новые спинтронные технологии» (ООО «НСТ»)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью «Новые спинтронные технологии» (ООО «НСТ») filed Critical Общество с ограниченной ответственностью «Новые спинтронные технологии» (ООО «НСТ»)
Priority to RU2021119370A priority Critical patent/RU2762381C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2762381C1 publication Critical patent/RU2762381C1/en
Priority to PCT/RU2022/000195 priority patent/WO2023277729A2/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3254—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the spacer being semiconducting or insulating, e.g. for spin tunnel junction [STJ]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/02—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/86—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable only by variation of the electric current supplied, or only the electric potential applied, to one or more of the electrodes carrying the current to be rectified, amplified, oscillated or switched
    • H01L29/861—Diodes
    • H01L29/88—Tunnel-effect diodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3268—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn
    • H01F10/3272—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn by use of anti-parallel coupled [APC] ferromagnetic layers, e.g. artificial ferrimagnets [AFI], artificial [AAF] or synthetic [SAF] anti-ferromagnets
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3295—Spin-exchange coupled multilayers wherein the magnetic pinned or free layers are laminated without anti-parallel coupling within the pinned and free layers
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/02—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal
    • H02M7/04—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)

Abstract

FIELD: spintronics.
SUBSTANCE: invention relates to the field of spintronics, namely to broadband AC rectifiers made on the basis of a spin diode in the form of a heterostructure with a tunnel magnetic junction. The effect is achieved due to the fact that the specified heterostructure contains a first ferromagnetic layer, a tunnel non-magnetic layer and a second ferromagnetic layer in series. The average magnetization of the first and second layers is located in their plane. The heterostructure is made in such a way that the magnetization of at least one ferromagnetic layer is non-uniform. In this case, the vectors of local magnetization of the first m rl and second m fl layers, at least in part of the heterostructure, are noncollinear, and the rectification is realized in a nonresonant mode.
EFFECT: expanding the frequency band of AC rectification.
5 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области спинтроники, а именно, к широкополосным выпрямителям переменного тока, выполненным на основе спинового диода в виде гетероструктуры с туннельным магнитным переходом.The invention relates to the field of spintronics, namely, to broadband AC rectifiers made on the basis of a spin diode in the form of a heterostructure with a tunnel magnetic junction.

Из уровня техники известен спиновый диод на базе гетероструктуры, содержащей последовательно расположенные первый ферромагнитный слой, средняя намагниченность которого расположена в плоскости этого слоя, туннельный немагнитный слой и второй ферромагнитный слой, средняя намагниченность которого расположена в плоскости этого слоя (см. статья A. A. Tulapurkar et al., “Spin-Torque Diode Effect in Magnetic Tunnel Junctions.” Nature 438 (2005), 339). Упомянутый диод способен эффективно выпрямлять входной переменный ток с частотой, близкой к резонансной частоте диода. Также из уровня техники известен схожий спиновый диод с двумя свободными слоями (см. патент US2014362624, кл. H01L27/22, опубл. 11.12.2014). Недостатком известных устройств является возможность работы только в резонансном режиме, в результате чего эффективное выпрямление возможно только в узкой полосе частот вблизи резонансной частоты спинового диода, что снижает универсальность выпрямителя. При этом данная резонансная частота зависит от формы спинового диода и толщин его слоев, а также других параметров, которые всегда варьируются в некоторых пределах при производстве гетероструктур. В результате резонансные частоты известных из уровня техники спиновых диодов при производстве, как правило, будут отличаться на величины, превышающие ширину линии выпрямления, что делает упомянутые спиновые диоды слабо повторимой в промышленных масштабах технологией. A spin diode based on a heterostructure is known from the prior art, containing a first ferromagnetic layer in series, the average magnetization of which is located in the plane of this layer, a tunneling non-magnetic layer and a second ferromagnetic layer, the average magnetization of which is located in the plane of this layer (see AA Tulapurkar et al. ., “Spin-Torque Diode Effect in Magnetic Tunnel Junctions.” Nature 438 (2005), 339). Said diode is capable of efficiently rectifying an input alternating current with a frequency close to the resonant frequency of the diode. A similar spin diode with two free layers is also known from the prior art (see patent US2014362624, class H01L27 / 22, publ. 11.12.2014). The disadvantage of the known devices is the ability to operate only in a resonant mode, as a result of which effective rectification is possible only in a narrow frequency band near the resonant frequency of the spin diode, which reduces the versatility of the rectifier. In this case, this resonant frequency depends on the shape of the spin diode and the thicknesses of its layers, as well as other parameters, which always vary within certain limits during the production of heterostructures. As a result, the resonant frequencies of the spin diodes known from the prior art during production, as a rule, will differ by values exceeding the width of the rectification line, which makes the mentioned spin diodes a poorly repeatable technology on an industrial scale.

Технической проблемой является устранение указанных недостатков. Технический результат заключается в расширении полосы выпрямления. Поставленная проблема решается, а технический результат достигается тем, что в выпрямителе переменного тока на базе гетероструктуры, содержащей последовательно расположенные первый ферромагнитный слой, средняя намагниченность которого расположена в плоскости этого слоя, туннельный немагнитный слой и второй ферромагнитный слой, средняя намагниченность которого расположена в плоскости этого слоя, указанная гетероструктура выполнена таким образом, что намагниченность, по меньшей мере, одного ферромагнитного слоя неоднородна, и векторы локальной намагниченности первого m rl и второго m fl слоёв, по меньшей мере, в части гетероструктуры неколлинеарны, а выпрямление реализуется в нерезонансном режиме. Указанные локальные векторы намагниченности m rl и m fl предпочтительно образуют угол не менее 5° и не более 175°, по меньшей мере, в части гетероструктуры, а соответствующая ширина полосы выпрямления составляет не менее 0,5 ГГц. Величина средней намагниченности указанного неоднородного ферромагнитного слоя составляет не более 95% намагниченности насыщения этого слоя. Указанный неоднородный ферромагнитный слой может иметь C- и/или S-подобное распределение намагниченности. Намагниченность, по меньшей мере, одного из ферромагнитных слоёв зафиксирована за счет обменного взаимодействия со слоем антиферромагнетика или ферромагнетика, за счёт магнитостатического взаимодействия с, по меньшей мере, одним дополнительным ферромагнитным слоем, посредством установки внешнего источника магнитного поля, путём формирования магнитной анизотропии в плоскости указанного и/или путём формирования геометрической анизотропии указанного слоя.The technical problem is the elimination of these disadvantages. The technical result consists in widening the straightening band. The problem posed is solved, and the technical result is achieved by the fact that in an alternating current rectifier based on a heterostructure containing the first ferromagnetic layer in series, the average magnetization of which is located in the plane of this layer, the tunneling non-magnetic layer and the second ferromagnetic layer, the average magnetization of which is located in the plane of this layer, the specified heterostructure is made in such a way that the magnetization of at least one ferromagnetic layer is inhomogeneous, and the local magnetization vectors of the first m rl and second m fl layers, at least in part of the heterostructure, are noncollinear, and the rectification is implemented in a nonresonant mode. Said local magnetization vectors m rl and m fl preferably form an angle of not less than 5 ° and not more than 175 °, at least in part of the heterostructure, and the corresponding rectification bandwidth is not less than 0.5 GHz. The value of the average magnetization of the specified inhomogeneous ferromagnetic layer is no more than 95% of the saturation magnetization of this layer. The specified inhomogeneous ferromagnetic layer can have a C- and / or S-like distribution of magnetization. The magnetization of at least one of the ferromagnetic layers is fixed due to the exchange interaction with the antiferromagnet or ferromagnet layer, due to the magnetostatic interaction with at least one additional ferromagnetic layer, by installing an external source of the magnetic field, by forming magnetic anisotropy in the plane of the specified and / or by forming the geometric anisotropy of the specified layer.

На фиг.1-2 схематически представлено распределение локальных векторов намагниченности m i указанного неоднородного ферромагнитного слоя (для первого ферромагнитного слоя i=rl, для второго i=fl) на виде сверху для случаев C- и S-подобного распределение намагниченности;Figures 1-2 schematically show the distribution of local magnetization vectors m i of the specified inhomogeneous ferromagnetic layer (for the first ferromagnetic layer i = rl, for the second i = fl) in the top view for cases of C- and S-like magnetization distribution;

на фиг.3-4 – структура слоёв предлагаемого устройства в нескольких возможных реализациях (стрелками изображены средние намагниченности соответствующих слоёв);in Fig.3-4 - the structure of the layers of the proposed device in several possible implementations (arrows show the average magnetization of the corresponding layers);

на фиг.5 – характерный график зависимости величины выпрямленного напряжения от частоты исходного переменного тока.figure 5 is a characteristic graph of the dependence of the magnitude of the rectified voltage on the frequency of the original alternating current.

В простейшем варианте (фиг.3) предлагаемый выпрямитель представляет собой гетероструктуру, образованную следующими последовательно расположенными слоями:In the simplest version (figure 3), the proposed rectifier is a heterostructure formed by the following sequentially located layers:

1 – подложка,1 - substrate,

2 – нижний электрод, включающий в себя дополнительные технические слои (на чертежах не показаны);2 - the lower electrode, which includes additional technical layers (not shown in the drawings);

3 – фиксирующий слой;3 - fixing layer;

4 – первый ферромагнитный слой с однородным или неоднородным распределением намагниченности m rl;4 - the first ferromagnetic layer with a uniform or inhomogeneous distribution of magnetization m rl ;

5 – туннельный немагнитный слой;5 - tunnel non-magnetic layer;

6 – второй ферромагнитный слой с неоднородным распределением намагниченности m fl;6 - second ferromagnetic layer with inhomogeneous distribution of magnetization m fl ;

7 – верхний электрод, включающий в себя дополнительные технические слои (на чертежах не показаны).7 - the upper electrode, which includes additional technical layers (not shown in the drawings).

Фиксирующий слой 3 за счет обменного и/или магнитостатического взаимодействия фиксирует намагниченность m rl первого ферромагнитного слоя 4 и может быть полностью выполнен из одного антиферромагнетика (фиг.3), например, PtMn и IrMn с различной пропорцией между элементами. В другом варианте данный слой может состоять из нескольких подслоев (фиг.4): антиферромагнитного подслоя 8 из PtMn или IrMn с различной пропорцией между элементами, ферромагнитного подслоя 9 из CoFe или CoFeB с различной пропорцией между элементами и рутениевого (Ru) подслоя 10.The fixing layer 3, due to the exchange and / or magnetostatic interaction, fixes the magnetization m rl of the first ferromagnetic layer 4 and can be completely made of one antiferromagnet (figure 3), for example, PtMn and IrMn with different proportions between the elements. Alternatively, this layer can consist of several sublayers (Fig. 4): an antiferromagnetic sublayer 8 of PtMn or IrMn with a different proportion between the elements, a ferromagnetic sublayer 9 of CoFe or CoFeB with a different proportion between the elements, and a ruthenium (Ru) sublayer 10.

Если слой 3 отсутствует, то фиксация намагниченности слоя 4 может быть достигнута за счёт магнитостатического взаимодействия с, по меньшей мере, одним дополнительным ферромагнитным слоем, посредством установки внешнего источника магнитного поля, путём формирования магнитной анизотропии в плоскости указанного слоя и/или путём формирования геометрической анизотропии указанного слоя (например, гетероструктура может иметь не круглую, а эллиптическую форму слоев).If layer 3 is absent, then the fixation of the magnetization of layer 4 can be achieved due to magnetostatic interaction with at least one additional ferromagnetic layer, by installing an external source of magnetic field, by forming magnetic anisotropy in the plane of the specified layer and / or by forming geometric anisotropy the specified layer (for example, the heterostructure may not have a circular, but an elliptical shape of the layers).

Туннельный немагнитный слой 5 традиционно изготавливают из оксида магния (MgO), однако допускается также изготовление этого слоя из оксида алюминия.The tunnel non-magnetic layer 5 is traditionally made from magnesium oxide (MgO), but it is also possible to make this layer from aluminum oxide.

Первый 4 и второй 6 ферромагнитные слои могут быть выполнен из типичных ферромагнетиков, таких как NiFe, CoFe и CoFeB, при этом пропорция между элементами в упомянутых сплавах может быть различной. Фиксация намагниченности в слое 6 как правило может быть достигнута за счет формирования геометрической анизотропии указанного слоя (например структура может иметь не круглую, а эллиптическую форму слоев). В общем случае фиксация намагниченности в слое 6 также может быть достигнута за счёт магнитостатического взаимодействия с, по меньшей мере, одним дополнительным ферромагнитным слоем, посредством установки внешнего источника магнитного поля и/или путём формирования магнитной анизотропии в плоскости указанного слоя. Слой 6 может быть выполнен составным из нескольких подслоев 11 и 12 различных ферромагнитных материалов (фиг.4). В общем случае слой 4 также может быть выполнен составным из нескольких подслоев различных ферромагнитных материалов. Слой 6 имеет неоднородное распределение намагниченности, что обычно достигается за счет преимущественного использования NiFe, а также за счет увеличения его толщины (как правило, в несколько раз толще слоя 4). Слой 4 может иметь как однородное, так и неоднородное распределение намагниченности.The first 4 and second 6 ferromagnetic layers can be made of typical ferromagnets such as NiFe, CoFe and CoFeB, while the proportion between the elements in the mentioned alloys can be different. The fixation of magnetization in layer 6, as a rule, can be achieved due to the formation of geometric anisotropy of the specified layer (for example, the structure may have an elliptical shape of the layers rather than circular). In the general case, the fixation of magnetization in layer 6 can also be achieved due to magnetostatic interaction with at least one additional ferromagnetic layer, by installing an external magnetic field source and / or by forming magnetic anisotropy in the plane of said layer. Layer 6 can be made up of several sublayers 11 and 12 of different ferromagnetic materials (figure 4). In general, layer 4 can also be made up of several sublayers of different ferromagnetic materials. Layer 6 has a non-uniform distribution of magnetization, which is usually achieved due to the predominant use of NiFe, as well as due to an increase in its thickness (as a rule, several times thicker than layer 4). Layer 4 can have both uniform and non-uniform distribution of magnetization.

Указанные векторы локальные намагниченности m fl и m rl неколлинеарны (предпочтительно образуют угол не менее 5° и не более 175°) и лежат в плоскости соответствующих слоёв 4 и 6. Степень неоднородности намагниченности слоёв 4 и 6 должна соответствовать условию, что разница в направлении намагниченности, по меньшей мере, в части гетероструктуры составляет не менее 5° и не более 175°. На практике это может быть реализовано за счёт того, что величина средней намагниченности составляет не более 95% намагниченности насыщения соответствующего слоя, что приводит к формированию C- и/или S-подобного распределения или других неоднородных распределений намагниченности. В таких условиях за счёт наличия ненулевого угла между локальными намагниченностями слоёв 4 и 6, по меньшей мере, в части гетероструктуры, всегда существует действующий на намагниченность ненулевой вращающий момент, создаваемый эффектом переноса спина, что приводит к реализации нерезонансного режим работы диода с соответствующей шириной полосы выпрямления не менее 0,5 ГГц.The indicated vectors of local magnetizations m fl and m rl are noncollinear (preferably they form an angle of at least 5 ° and no more than 175 °) and lie in the plane of the corresponding layers 4 and 6. The degree of inhomogeneity of the magnetization of layers 4 and 6 must correspond to the condition that the difference in the direction of magnetization , at least in part of the heterostructure is not less than 5 ° and not more than 175 °. In practice, this can be realized due to the fact that the value of the average magnetization is no more than 95% of the saturation magnetization of the corresponding layer, which leads to the formation of a C- and / or S-like distribution or other inhomogeneous magnetization distributions. Under such conditions, due to the presence of a nonzero angle between the local magnetizations of layers 4 and 6, at least in part of the heterostructure, there is always a nonzero torque acting on the magnetization, created by the spin transfer effect, which leads to the implementation of a nonresonant mode of operation of the diode with the corresponding bandwidth rectification not less than 0.5 GHz.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Электроды 2 и 7 подключают к источнику переменного тока, например к принимающей антенне, напрямую или через цепь согласования. При этом сигнал, который принимает антенна, может как излучаться специальным передатчиком, так и быть фоновым техногенным радиочастотным сигналом (Wi-Fi, GSM и т.п.). При прохождении переменного тока через рассматриваемый диод сопротивление диода начинает колебаться на частоте переменного тока в широком диапазоне частот. В результате на выходе выпрямителя на основе спинового диода появляется постоянная компонента напряжения. Полученное постоянное напряжение может быть использовано сразу для питания датчиков и прочих маломощных устройств или же для зарядки конденсаторов или аккумуляторных батарей, которые в дальнейшем будут использованы для питания. Стоит отметить, что для выпрямления сигнала возможно одновременное использование нескольких, подключенных параллельно и/или последовательно, спиновых диодов.The proposed device works as follows. Electrodes 2 and 7 are connected to an alternating current source, for example to a receiving antenna, directly or through a matching circuit. In this case, the signal received by the antenna can either be emitted by a special transmitter or be a background technogenic radio frequency signal (Wi-Fi, GSM, etc.). When an alternating current passes through the diode under consideration, the resistance of the diode begins to oscillate at the frequency of the alternating current over a wide frequency range. As a result, a constant voltage component appears at the output of the rectifier based on the spin diode. The resulting constant voltage can be used immediately to power sensors and other low-power devices, or to charge capacitors or storage batteries, which will later be used for power supply. It should be noted that for signal rectification, it is possible to simultaneously use several spin diodes connected in parallel and / or in series.

Благодаря использованию ферромагнитных слоев, намагниченных неоднородно в плоскости, достигается ситуация, когда локальные намагниченности двух ферромагнитных слоев, по меньшей мере, в части гетероструктуры неколлинеарны, что приводит к реализации нерезонансного режим работы диода с соответствующей шириной полосы выпрямления не менее 0,5 ГГц. Данный результат увеличивает универсальность выпрямителя на спиновом диоде, т.к. позволяет использовать один спиновый диод для выпрямления сигнала широкого диапазона стандартов (Wi-Fi, GSM и т.п.) без подбора его резонансной частоты просто за счет расширения полосы выпрямления. Также снимается ограничение на промышленную воспроизводимость технологии, т.к. описанный спиновый диод, работающий в широкополосном режиме, малочувствителен к технологическим погрешностям при производстве.Due to the use of ferromagnetic layers, magnetized inhomogeneously in the plane, a situation is achieved when the local magnetizations of two ferromagnetic layers, at least in part of the heterostructure, are noncollinear, which leads to the implementation of a nonresonant mode of operation of the diode with a corresponding rectification bandwidth of at least 0.5 GHz. This result increases the versatility of the spin diode rectifier, since allows using one spin diode to rectify a signal of a wide range of standards (Wi-Fi, GSM, etc.) without selecting its resonant frequency simply by expanding the rectification band. Also, the limitation on the industrial reproducibility of the technology is removed, since The described spin diode operating in a broadband mode is insensitive to technological errors in production.

Claims (5)

1. Выпрямитель переменного тока на базе гетероструктуры, содержащей последовательно расположенные первый ферромагнитный слой, средняя намагниченность которого расположена в плоскости этого слоя, туннельный немагнитный слой и второй ферромагнитный слой, средняя намагниченность которого расположена в плоскости этого слоя, отличающийся тем, что гетероструктура выполнена таким образом, что намагниченность, по меньшей мере, одного ферромагнитного слоя неоднородна, и векторы локальной намагниченности первого m rl и второго m fl слоёв, по меньшей мере, в части гетероструктуры неколлинеарны, а выпрямление реализуется в нерезонансном режиме.1. An alternating current rectifier based on a heterostructure containing a first ferromagnetic layer in series, the average magnetization of which is located in the plane of this layer, a tunneling non-magnetic layer and a second ferromagnetic layer, the average magnetization of which is located in the plane of this layer, characterized in that the heterostructure is made in this way that the magnetization of at least one ferromagnetic layer is inhomogeneous, and the local magnetization vectors of the first m rl and second m fl layers, at least in part of the heterostructure, are noncollinear, and the rectification is realized in a nonresonant mode. 2. Выпрямитель по п.1, отличающийся тем, что указанные локальные векторы намагниченности m rl и m fl образуют угол не менее 5° и не более 175°, по меньшей мере, в части гетероструктуры, а соответствующая ширина полосы выпрямления составляет не менее 0.5 ГГц.2. A rectifier according to claim 1, characterized in that said local magnetization vectors m rl and m fl form an angle of at least 5 ° and not more than 175 °, at least in part of the heterostructure, and the corresponding rectification band width is at least 0.5 GHz. 3. Выпрямитель по п.1, отличающийся тем, что величина средней намагниченности указанного неоднородного ферромагнитного слоя составляет не более 95% намагниченности насыщения этого слоя.3. The rectifier according to claim 1, characterized in that the value of the average magnetization of said non-uniform ferromagnetic layer is not more than 95% of the saturation magnetization of this layer. 4. Выпрямитель по п.1, отличающийся тем, что указанный неоднородный ферромагнитный слой имеет C- и/или S-подобное распределение намагниченности.4. A rectifier according to claim 1, characterized in that said non-uniform ferromagnetic layer has a C- and / or S-like magnetization distribution. 5. Выпрямитель по п.1, отличающийся тем, что намагниченность, по меньшей мере, одного из ферромагнитных слоёв зафиксирована за счёт обменного взаимодействия со слоем антиферромагнетика или ферромагнетика, за счёт магнитостатического взаимодействия с, по меньшей мере, одним дополнительным ферромагнитным слоем, посредством установки внешнего источника магнитного поля, путём формирования магнитной анизотропии в плоскости указанного и/или путём формирования геометрической анизотропии указанного слоя.5. The rectifier according to claim 1, characterized in that the magnetization of at least one of the ferromagnetic layers is fixed due to the exchange interaction with the antiferromagnet or ferromagnet layer, due to the magnetostatic interaction with at least one additional ferromagnetic layer, by installing an external source of a magnetic field, by the formation of magnetic anisotropy in the plane of the specified and / or by the formation of geometric anisotropy of the specified layer.
RU2021119370A 2021-07-01 2021-07-01 Ac rectifier based on inhomogeneous heterostructure RU2762381C1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021119370A RU2762381C1 (en) 2021-07-01 2021-07-01 Ac rectifier based on inhomogeneous heterostructure
PCT/RU2022/000195 WO2023277729A2 (en) 2021-07-01 2022-06-22 Ac rectifier based on non-uniform heterostructure

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021119370A RU2762381C1 (en) 2021-07-01 2021-07-01 Ac rectifier based on inhomogeneous heterostructure

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2762381C1 true RU2762381C1 (en) 2021-12-20

Family

ID=79175424

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2021119370A RU2762381C1 (en) 2021-07-01 2021-07-01 Ac rectifier based on inhomogeneous heterostructure

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2762381C1 (en)
WO (1) WO2023277729A2 (en)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1558263A1 (en) * 1988-08-08 1995-07-25 А.С. Тагер Resonance-tuned transit-time diode
US5695864A (en) * 1995-09-28 1997-12-09 International Business Machines Corporation Electronic device using magnetic components
RU2415494C1 (en) * 2010-02-16 2011-03-27 Игорь Борисович Федоров Nanoelectronic semiconductor rectifying diode
US20130099339A1 (en) * 2011-10-20 2013-04-25 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Spintronic Electronic Device and Circuits
US20140362624A1 (en) * 2012-01-17 2014-12-11 Hitachi, Ltd. Spin torque diode element, rectifier and power generation module
CN109994560A (en) * 2019-04-24 2019-07-09 北京镓族科技有限公司 Rectifying device and preparation method thereof based on strontium aluminate and gallium oxide heterojunction structure
RU2731531C1 (en) * 2019-05-08 2020-09-03 Общество с ограниченной ответственностью "Новые спинтронные технологии" (ООО "НСТ") Vortex spin diode, as well as receiver and detector based thereon

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3492932B1 (en) * 2017-11-30 2020-07-08 INL - International Iberian Nanotechnology Laboratory Frequency sensor

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1558263A1 (en) * 1988-08-08 1995-07-25 А.С. Тагер Resonance-tuned transit-time diode
US5695864A (en) * 1995-09-28 1997-12-09 International Business Machines Corporation Electronic device using magnetic components
RU2415494C1 (en) * 2010-02-16 2011-03-27 Игорь Борисович Федоров Nanoelectronic semiconductor rectifying diode
US20130099339A1 (en) * 2011-10-20 2013-04-25 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Spintronic Electronic Device and Circuits
US20140362624A1 (en) * 2012-01-17 2014-12-11 Hitachi, Ltd. Spin torque diode element, rectifier and power generation module
CN109994560A (en) * 2019-04-24 2019-07-09 北京镓族科技有限公司 Rectifying device and preparation method thereof based on strontium aluminate and gallium oxide heterojunction structure
RU2731531C1 (en) * 2019-05-08 2020-09-03 Общество с ограниченной ответственностью "Новые спинтронные технологии" (ООО "НСТ") Vortex spin diode, as well as receiver and detector based thereon

Also Published As

Publication number Publication date
WO2023277729A3 (en) 2023-03-02
WO2023277729A2 (en) 2023-01-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Fang et al. Experimental demonstration of spintronic broadband microwave detectors and their capability for powering nanodevices
Hahn et al. Detection of microwave spin pumping using the inverse spin Hall effect
Ishibashi et al. Large diode sensitivity of CoFeB/MgO/CoFeB magnetic tunnel junctions
US7991377B2 (en) Mixer and frequency converting apparatus
US8476900B2 (en) Electromagnetic detection apparatus and methods
Goel et al. Ferromagnetic resonance and control of magnetic anisotropy by epitaxial strain in the ferromagnetic semiconductor (G a 0.8, F e 0.2) Sb at room temperature
US8131249B2 (en) Frequency converter
US11385269B2 (en) Frequency sensor
US20210044254A1 (en) Single magnetic-layer microwave oscillator
RU2762381C1 (en) Ac rectifier based on inhomogeneous heterostructure
JP2007235119A (en) Ferromagnetic wire
RU2762383C1 (en) Ac rectifier with non-collinear magnetization
US10522172B2 (en) Oscillator and calculating device
US7986140B2 (en) Systems and methods for RF magnetic-field vector detection based on spin rectification effects
RU2731531C1 (en) Vortex spin diode, as well as receiver and detector based thereon
Gupta et al. Dual band radio frequency detector based on the simultaneous excitation of free and reference layer in a magnetic tunnel junction
Ciorga et al. Effect of contact geometry on spin-transport signals in nonlocal (Ga, Mn) As/GaAs devices
RU2347296C1 (en) Magnetically operated detector of shf radiation
JP2020035832A (en) Ac generation device
Yamaguchi et al. Spin Torque Diode Spectroscopy of Quantized Spin Wave Excited in a Magnetic Tunnel Junction
Kichin et al. Ultrawide broadband rectification effect in an in-plane magnetic tunnel junction
US11038380B2 (en) Split-ring resonator with integrated magnetic tunnel junction for highly sensitive and efficient energy harvesting
Prokopenko et al. Spin-torque microwave detectors: Fundamentals and applications
Rzeszut et al. Towards mutual synchronization of serially connected Spin Torque Oscillators based on magnetic tunnel junctions
Houshang et al. Faster, farther, stronger: spin transfer torque driven high order propagating spin waves in nano-contact magnetic tunnel junctions

Legal Events

Date Code Title Description
QB4A Licence on use of patent

Free format text: PLEDGE FORMERLY AGREED ON 20220421

Effective date: 20220421