[发明专利]一种基于涡旋磁畴振荡的双层自旋转移力矩纳米柱振荡器

说明书

本发明公开了一种基于涡旋磁畴振荡的双层自旋转移力矩纳米柱振荡器，由叠加的固定层与自由层组成；所述固定层的磁矩方向与纳米柱所在平面垂直，自由层的磁矩方向与纳米柱所在平面平行，直流电流垂直于纳米柱的平面且经过自由层流经固定层。本发明提出了一种新型的纳米柱振荡器结构，通过固定层与自由层的相互作用，在直流电流下驱使自由层的磁矩振荡。从而简化了传统的STNO的三层结构，省略了隔离层，可以大大简化工艺制造流程。同时该模型可以轻松实现多个纳米柱之间的耦合振荡，提高纳米柱振荡器的振幅。

技术领域

本发明属于材料领域，具体涉及一种基于涡旋磁畴振荡的双层自旋转移力矩纳米柱振荡器，与传统的纳米柱振荡器不同，该纳米柱振荡器只包含固定层与自由层。

背景技术

1996年，Slonczewski和Berger预测了导电电子的自旋矩可以转移到局域磁矩，而自旋极化电流可以使磁矩发生开关，这被称为自旋转移矩(STT)效应。该效应也随之通过实验得到了证实，而自旋转移矩振荡器(STO)是一种基于STT效应的非常重要的自旋电子器件。

STO是一种利用自旋极化电流与磁纳米结构之间自旋角动量传递的射频器件。最初的STO基于平面内磁化结构，其中外加电流在低阻平行(P)和高阻之间产生磁层的滞回开关。反并联(AP)状态下，自由层磁矩相对于固定层的振荡改变了器件的电阻，在外加磁场和直流电流条件下，产生时变电压。然后，发展出了包含垂直磁晶各向异性(PMA)固定层和面内磁晶各向异性(IMA)自由层的STO。它可以单靠直流电流激发大角度进动，而不需要外场的协助，其特点是自由层磁化强度的高频振荡。在临界电流下，由垂直极化电子产生的自旋转移矩诱导的平面外稳态进动，导致微波信号的振幅增大。

现有的自旋转移矩纳米柱振荡器(STNO)通常具有三明治结构，自由层/中间层/固定层，其中自由层和固定层是铁磁层，中间层是非磁性层。电流从使电流极化的固定层流出，然后通过保持极化电流极化状态的中间层，最后进入自由层。STNO的三明治结构使其不易制造，在我们的工作中，我们发现了一种特殊的具有双层结构的纳米柱，可以大大简化生产过程。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于涡旋磁畴振荡的双层自旋转移力矩纳米柱振荡器，可以大大简化自旋转移矩纳米柱振荡器的制造工艺，也可以提高纳米柱振荡器的输出功率。同时提出了纳米柱工作过程中缩短响应时间、减少临界电流、提高振幅的办法。

一种基于涡旋磁畴振荡的双层自旋转移力矩纳米柱振荡器，由叠加的固定层与自由层组成；所述固定层的磁矩方向与纳米柱所在平面垂直，即垂直磁化，自由层的磁矩方向与纳米柱所在平面平行，即面内磁化，直流电流垂直于纳米柱的平面且经过自由层流经固定层。

优选地，固定层材料为垂直磁各向异性可以达到10⁶J/m³量级的硬磁性材料，自由层的材料为软磁性材料。

优选地，所述自旋转移矩纳米柱振荡器在刚开始工作时，施加一个脉冲磁场能缩短纳米柱振荡器的响应时间。

优选地，所述自旋转移矩纳米柱振荡器通过减小阻尼系数和自由层的饱和磁化强度能减小临界电流。

优选地，所述自旋转移矩纳米柱振荡器能够通过多个纳米柱形成的阵列来提高振幅。

本发明还提供了一种基于涡旋磁畴振荡的双层自旋转移力矩纳米柱振荡器响应时间的方法：对刚开始工作的基于涡旋磁畴振荡的双层自旋转移力矩纳米柱振荡器施加一个脉冲磁场；所述纳米柱振荡器由叠加的固定层与自由层组成；所述固定层的磁矩方向与纳米柱所在平面垂直，自由层的磁矩方向与纳米柱所在平面平行，直流电流垂直于纳米柱的平面且经过自由层流经固定层。