自旋基微波震荡器的研究

Spin-transfer radiofrequency oscillators have been, so far, proposed and studied in two device geometries: nano-pillars and nano-contracts. In both systems, either a uniform magnetic configuration or a magnetic vortex is excited through the transfer of spin angular momentum. We here propose to study a novel device geometry, which can combine the power performance of the vortex-based nano-contact oscillators with the high-frequency performance of the vortex-based nano-pillar oscillators, this is rich of characteristics and innovativeness. Sputtering will be used to deposit magnetic multilayers. Devices will be patterned out of optimized multilayer stacks by using electron beam nanolithography, together with standard pattern transfer processes (ion milling, lift-off, photolithography). The successful completion of this project might lead to a new generation of microwave generators extremely useful for high-speed wireless communications. Compared to its semiconductor counterpart, a spin-transfer nano-oscillator does not require discrete elements such as capacitors and inductors. Besides, it does not require additional variable capacitance diodes to tune the output frequency. For these reasons, the carrier frequency can be tuned with large agility, allowing implementation of sophisticated cryptographic techniques.

目前，纳米柱体和纳米接触点自旋转移矩微波振荡器是主要两种结构，其中自旋转移角动量会激发一种均匀磁化状态或者一种磁涡旋态。本项目综合磁涡旋态纳米触点微波振荡器的功率特点和磁涡旋态柱体微波振荡器的高频特点，提出一种新型混合结构的涡旋基STO，开展基于涡旋态高频自旋转移矩微波振荡器的系统研究，可以突破现有振荡器的瓶颈。本项目的目标是制备既具有较大的输出功率又具有GHz高频特性的涡旋基STO，富有特色和创新性。采用磁控溅射方法制备高质量的铁磁多层膜，并在优化后的结构上用电子束刻蚀（EBL）进行图形化微加工，然后用标准器件制备方法如离子刻蚀，lift-off，和光刻来制备器件。成功完成本项目将开发适用于高速无线通信的新一代微波源。与传统的半导体振荡器相比，新型结构的STO不需要电容和电感，而且不需要用变容二极管做高频调谐。因此，可以采用更加灵活的方式调谐载波频率。

巨磁阻效应的逆效应称作自旋转移矩效应,该效应可用来产生微波电压信号。在本项目的第一部分我们分别设计了纳米柱状以及纳米点接触结构的磁涡旋基微波振荡器。我们发现纳米柱状结构的振荡器可以产生在微波波段的信号，但是他们的输出功率却过小。第二种结构输出功率足够但是产生的信号却在Sub-Ghz波段。基于此，我们设计一种能够结合两种结构优点的复合结构。该结构是基于纳米柱状但是电流却是在多层膜自由层的中心通过点接触结构注入。在该器件中，涡旋于点接触导电区域外旋转。因此其输出功率是基于纳米接触结构，而频率因为结构束缚能够被提升到1GHz。.在研究中同时发现该器件可以用作非挥发性记忆体的存储单元。我们发现，如果磁涡旋被束缚在圆点结构中，同时电流通过该圆点处的欧姆接触注入，圆点边缘产生的静磁能将会使得涡旋产生倾角。该效应会使得磁涡旋核心反转的阈值电流降低。通过调节电流方向可转变磁涡旋方向，转变时间预测在10ns量级。利用微磁仿真模拟，我们同时发现在椭圆型的结构中，稳定存在两种磁涡旋能量低态。电流经纳米接触点的中心垂直注入器件，会引起器件在两种特定的磁态之间转变。.为了实现这些器件与其它半导体工艺的兼容，我们以半导体而非金属为基去制备上述自旋转移矩振荡器。在研究过程中，研究团队发现了一些磁性半导体薄膜的光电磁相互转化现象。其中最主要的两个发现是：1）对半导体施加磁矩可以改变其能带结构，即磁场可以应用在半导体的带系工艺中。特别是因为强塞曼效应，磁矩可以拉低导带能量，从而能够减小整个带隙宽度。该现象，首先在室温下发现，具有重要的应用特别是在需要拉平两个互接触膜能级的情况。.2)负巨磁阻效应。这种反常效应在亏氧的磁性半导体氧化膜中发现，而且会随着磁性离子浓度的增高而增强。结合磁阻以及磁光致发光测试，我们发现该现象是缘于磁激发电子跃迁到导带。当同样的材料处于纳米薄膜结构，在其上覆盖金属薄膜，我们发现了随着外加磁场增大，拉曼信号的强度增强同时相对标准差降低的现象。这些现象缘于磁场引发磁性半导体边界上磁极子的融化。