[发明专利]一种基于反铁磁斯格明子的微波振荡器

说明书

本发明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。本发明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。

技术领域

本发明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)。

发明内容

本发明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。

本发明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。

本发明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。