[发明专利]一种基于磁性隧道结的微波探测元件

说明书

本发明涉及微波探测技术领域，具体为一种基于磁性隧道结的微波探测元件，它可以间接测量微波信号并获得超高的灵敏度；其包括所述微波探测元件的结构由两个圆形的磁性隧道结以及连接两个圆形磁性隧道结的桥区域组成，所述磁性隧道结由磁性自由层、非磁性绝缘层和磁性钉扎层组成，所述非磁性绝缘层夹在磁性自由层和磁性钉扎层之间；两个所述圆形的磁性隧道结的中间圆形区域和桥区域的顶部都设置有接触电极；本发明的基于磁斯格明子的哑铃型的微波探测元件，充分利用了磁斯格明子在微波电流作用下呼吸运动的特性，以及磁斯格明子对畴壁的排斥力，这样就可以通过探究畴壁的变化实现对微波电流信号的间接探测。

技术领域

本发明涉及微波探测技术领域，具体为一种基于磁性隧道结的微波探测元件。

背景技术

微波探测器具有非接触、速度快、灵敏度高、热稳定性和耐压性好等优点，广泛应用于医疗、工业、农业等领域。由于热力学的限制，目前商用的传统半导体二极管微波探测器的灵敏度难以超过4000mV/mW。除此之外，较大的尺寸也限制了它与CMOS电路的集成。2005年，Tulapurkar等人在磁性隧道结(MTJ)结构中发现了自旋转矩二极管效应，并建议将其用作微波探测器。尽管它在小型化和集成化方面有很大的优势，但它的检测灵敏度非常低(1.4mV/mW)。此后，许多研究小组提出了许多提高灵敏度的方法。例如:在MTJ中引入偏置电流，外加磁场，调整上下磁层磁矩排列的相对角度等。到目前为止，实验报告的基于自旋转矩二极管效应的最大灵敏度在直流偏置电流辅助下达到200000mV/mW。但是上述研究中，自由层的磁矩都是单畴状态。

磁斯格明子是一种具有拓扑保护特性的自旋结构。与磁畴壁相比，磁斯格明子具有体积小、稳定性高、驱动电流密度小等优点。近年来，磁斯格明子在赛道存储器、自旋纳米振荡器、微波探测器等自旋电子器件中有着巨大的应用潜力。2015年，G.Finocchio等人将磁斯格明子引入磁性隧道结，并提出了一种基于磁斯格明子的微波探测器，但灵敏度仅为2000mV/mW左右，仍需更大的提升。本文中我们引入磁斯格明子到磁性隧道结中，并提出了一种基于磁性隧道结的新型微波探测元件，它可以间接测量微波信号并获得超高的灵敏度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于磁性隧道结的微波探测元件，它可以间接测量微波信号并获得超高的灵敏度。

为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于磁性隧道结的微波探测元件，其特征在于：所述微波探测元件的结构由两个圆形的磁性隧道结以及连接两个圆形磁性隧道结的桥区域组成，所述磁性隧道结由磁性自由层2、非磁性绝缘层3和磁性钉扎层4组成，所述非磁性绝缘层3夹在磁性自由层2和磁性钉扎层3之间；两个所述圆形的磁性隧道结的中间圆形区域和桥区域的顶部都设置有接触电极1。

进一步的，两个所述圆形的磁性隧道结的磁性自由层2的中心分别放置有极性分别为1和-1的两个Neel类型的磁斯格明子，因此，在桥的磁性自由层2中会产生一个Neel类型畴壁。

进一步的，所述磁性钉扎层的磁矩沿z轴正方向。

进一步的，所述圆形磁性隧道结的直径是100～1000nm，所述磁性自由层2的厚度设置为0.5～3nm，所述非磁性绝缘层3的厚度设置为1～3nm，所述磁性钉扎层4的厚度设置为0.8～20nm。

进一步的，两个所述圆形磁性隧道结的直径为100nm时，所述桥区域的长为15～35nm，宽为5～20nm。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明的基于磁斯格明子的哑铃型的微波探测元件，充分利用了磁斯格明子在微波电流作用下呼吸运动的特性，以及磁斯格明子对畴壁的排斥力，这样就可以通过探究桥臂部分电阻的变化实现对微波电流信号的间接探测，从而构建了一种全新的微波探测器，而且使得系统的灵敏度值获得极大提升。采用本发明的器件可制成高灵敏度的微波探测器。