[发明专利]一种自旋电流驱动的新型微波振荡器

说明书

技术领域

本发明属于自旋输运器件领域，特别涉及一种基于自旋转移效应的新型微波器件的结构 和制备方法。该器件可用于微波通信和锁相技术等领域。

背景技术

近年来，自旋电子学以其丰富的物理内涵和广阔的器件应用前景已成为凝聚态物理的热 点领域。1996年，科学家从理论上预言了一种纳米尺度下的新的自旋相关效应--自旋转移效 应，为这一领域注入了新的活力。通过注入的自旋极化电流与铁磁层局域电子之间的自旋转 移扭矩(spin transfer torque)作用，可使铁磁层的磁矩产生周期性改变，从而导致器件 的磁电阻随时间变化，产生交变电压，得到受电流调制的频率稳定的微波功率输出。利用该 效应构建的器件有望用作高频微波发射源和微波谐振器，具有结构简单、体积小，对温度不敏 感，电路组成简单等优点，具有诱人的应用前景。目前文献报道的基于自旋转移效应的微波振 荡器的调制范围可以达到1~200GHz，品质因数可达4000以上[PRIBIAG V S，et al. “Magnetic vortex oscillator driven by d.c.spin-polarized current”.NaturePhysics， 2007，3(7)：498-503.]，但是在实用化之前，还有一些关键问题尚待解决。首先，微波发射 功率较低，只有纳瓦量级，尚不能满足实用的要求；其次，产生微波发射的效率太低，需要较 大的注入电流和外加磁场。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自旋极化电流驱动的新型微波振荡器的结构和制备方法。该 器件的基本结构是“固定层(铁磁)/隔离层(非磁)/自由层(铁磁)”的多层膜，通过使 固定层和自由层的初始磁化方向相互垂直，使自由层得到最大的横向自旋注入，实现在较小 的注入电流下获得较大的微波功率输出，并且不需要外加磁场。

我们对该结构中的自旋输运过程和自由层磁矩的磁动力学过程进行了理论研究，发现外 磁场并非产生微波发射的必要条件，当自由层有自旋极化电流注入，且固定层的磁化方向与 自由层的初始磁化方向存在一定夹角时，自由层的磁矩将发生周期性的改变，产生微波发射。 微波发射的效率与自旋注入的横向(垂直于自由层易磁化轴的方向)分量密切相关。当固定 层和自由层初始磁化方向的夹角为九十度时，自由层可获得最大的横向自旋注入。基于该研 究，我们提出一种用自旋电流驱动的新型微波振荡器件。

本发明中的自旋电流驱动的微波振荡器件是一种纳米级柱状磁性多层膜体系，其特征在 于，采用了依次由铁磁性的固定层、非磁性的隔离层、磁化方向和所述固定层相互垂直的自 由层叠加而成的多层膜，由此形成的微波振荡器从底层向上到顶层依次含有：

第一层为底电极层，是150纳米～250纳米厚的金属铂；

第二层为种子层，是3纳米～5纳米厚的金属钽；

第三层为固定层，是15纳米～25纳米厚的铁磁性的钴铁合金，磁矩固定；

第四层为隔离层，是4纳米～6纳米厚的金属铜；

第五层为自由层，是4纳米～5纳米厚的钴铁合金，磁矩能自由翻转；

第六层为保护层，是3纳米～5纳米厚的金属钽；

第七层为顶电极层，是150纳米～250纳米厚的金属铂；

其中第二层到第六层形成一个纳米柱，且被氧化硅或氮化硅的绝缘层所包围。从第二层 到第六层的横截面形状为椭圆，椭圆形的长轴长度为100±50纳米。所述固定层和自由层的 初始磁化方向都在膜平面内，且相互垂直，自旋极化电流垂直于膜平面。其中第四层也可以 是1纳米～2纳米厚的氧化镁绝缘层。

本发明所述的一种自旋电流驱动的微波振荡器的制备方法，其特征在于，所述方法依次 含有以下步骤：

步骤(1)，在氧化硅衬底上淀积以金属铂为材料的底电极层；

步骤(2)，在所述底电极层上用磁控溅射工艺生长金属钽作为种子层；

步骤(3)，在所述种子层上用磁控溅射工艺生长铁磁性的钴铁合金作为固定层，在生长 过程中加诱导磁场，诱导磁场方向在膜平面内；

步骤(4)，在所述固定层上用磁控溅射工艺生长金属铜作为隔离层，所述的隔离层也可 用氧化镁绝缘层代替；

步骤(5)，在所述的隔离层上用磁控溅射工艺生长钴铁合金作为自由层，在生长过程中 加诱导磁场，诱导磁场方向和所述固定层的诱导磁场方向垂直，且在膜平面内；