一种自偏置的自旋波波导及其制备方法与流程

本发明属于自旋波器件技术领域，具体涉及一种自偏置的自旋波波导及其制备方法。

背景技术：

序磁性(铁磁、亚铁磁、反铁磁)体中相互作用的自旋体系由于各种激发作用引起的集体运动，称为自旋波或磁振子(Magnon)。利用自旋波概念，1930s年代就用它成功地解释了饱和磁化强度随温度的变化关系，1940s年代后期成功地解释了旋磁铁氧体的铁磁共振线宽以及高功率临界场，1960s年代以后开始利用自旋波的传播特性，基于石榴石(YIG)材料研制静磁波器件。2000s年代后，随着纳米科学的发展，微纳米尺度的自旋波研究逐步成为了热点，催生一门新学科——磁振子学(Magnonics)的诞生，使其成为现代固态物理的一个重要分支。伴随着自旋电子学中的许多新物理现象，如自旋转矩转移效应、自旋霍尔效应、自旋泵浦效应和自旋热电效应等的研究，自旋波与自旋电子学的结合，自旋波电子学(也称磁振子自旋电子学，Magnon spintronics)更成为了研究的焦点。

自旋波电子学是指研究自旋电子学有关的结构、器件和电路中利用磁振子传输自旋电流的科学。类似于电子电流，基于磁振子的电流可以被用于信息的编码、输运和处理。利用磁振子可以完成新型的基于波的计算技术，由于基于自旋波的器件是利用自旋波完成信号的传输与处理，是非电荷器件，其能耗极低，能克服现代电子学的内在缺陷。基于波的干涉和波的非线性相互作用设计的自旋波逻辑电路与常规的基于电子的逻辑电路相比具有更小的芯片面积；同时在同样频率下，自旋波的波长比电磁波的波长小1个数量级以上，故基于自旋波的磁功能器件更易实现集成化，满足片上微波信号处理与通信应用的需求。自旋波电子器件的研究涉及自旋波激发、自旋波波导、自旋波探测等技术问题。

根据激励方式，自旋波的传播分为表面模式和体模式。表面模式，也叫Damon-Eshbach模式(以下简称DE模式)，其波导的磁矩与传播波矢共面，且相互垂直，具有群速高、偏置场低、易激发等优点，在自旋波器件中已广泛应用。然而，DE模式自旋波中需要磁矩与传播波矢相互垂直，实际应用中通常将器件采用外加偏置磁场让磁矩沿某一方向饱和磁化来实现，这就需要用电磁线圈或永磁体来提供偏置场，增加了器件的耗能体积。同时，目前常规的自旋波波导是在均匀的磁性薄膜上光刻形成微纳米宽度的条带实现的，工艺复杂，功耗大。

技术实现要素：

本发明提供了一种自偏置的自旋波波导及其制备方法，有效解决了传播DE模式自旋波波导对外加偏置磁场的要求导致器件能耗高的问题。本发明采用垂直各向异性的永磁薄膜与软磁薄膜形成交换-弹性(exchange-spring)结构，由于永磁薄膜上下磁畴形成的磁通使软磁薄膜中的磁矩沿磁通方向整齐排布，这样，在没有偏置磁场的情况下就能形成自旋波波导，实现了自旋波波导的自偏置；其自偏置场的大小可通过永磁材料的种类及厚度调节，有利于实现集成化的自旋波波导，为集成自旋波器件的应用打下了基础。

本发明的技术方案如下：

一种自偏置的自旋波波导，包括基片，依次形成于基片之上的永磁薄膜、绝缘介质薄膜、软磁薄膜和保护层形成的多层薄膜结构，所述多层薄膜结构在垂直于膜面的磁场中饱和磁化后，采用单极磁头的写入磁场局域翻转永磁薄膜的磁化方向，即可形成自偏置的自旋波波导。

进一步地，所述永磁薄膜是指利用界面效应形成的具有垂直各向异性的薄膜，该永磁薄膜中包含Co/Ni薄膜、Co/Pd薄膜、Co/Pt薄膜或Fe/Pt薄膜中的至少一种，其厚度为10～20nm，其具体的层数根据传播自旋波的频率决定。

进一步地，所述绝缘介质薄膜为电阻率大于1010Ω.cm的绝缘介质形成的薄膜，具体为SiO₂等。

进一步地，所述软磁薄膜为低阻尼系数(阻尼系数小于2×10^-3)的合金形成的薄膜，具体为NiFe合金、CoFeB合金等。

更进一步地，上述NiFe合金中镍的质量分数为81％，铁的质量分数为19％；上述CoFeB合金中钴的质量分数为20％，铁的质量分数为60％，硼的质量分数为20％。

更进一步地，上述NiFe合金薄膜采用磁控溅射法制备得到，其中，背底真空为小于10^-8mbar，溅射气体为氩气，溅射气压为1.5×10^-4～2.0×10^-4mbar，溅射速率为0.2～0.5nm/s。

更进一步地，上述CoFeB合金薄膜采用磁控溅射法制备得到，其中，背底真空为小于10^-8mbar，溅射气体为氩气，溅射气压为1.5×10^-4～2.0×10^-4mbar，溅射速率为0.2～0.5nm/s。

进一步地，所述保护层为对氧气不敏感的金属薄膜，具体为Ta、Ru、Pt或Pd等。

进一步地，所述单极磁头为常规的硬盘写入磁头。

一种自偏置的自旋波波导的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：先后采用丙酮、乙醇和去离子水对基片进行清洗，清洗后置于氮气气氛下干燥；

步骤2：将步骤1清洗干燥后的基片放置于磁控溅射设备真空腔中，采用磁控溅射法在基片表面沉积永磁薄膜，其中，背底真空为小于10^-8mbar，溅射气体为氩气，溅射气压为6×10^-4～8×10^-4mbar；

步骤3：采用常规磁控溅射法在步骤2得到的永磁薄膜上沉积绝缘介质薄膜；

步骤4：采用磁控溅射法在步骤3得到的绝缘介质薄膜上沉积软磁合金薄膜，其中，背底真空为小于10^-8mbar，溅射气体为氩气，溅射气压为1.5×10^-4～2.0×10^-4mbar，溅射速率为0.2～0.5nm/s；

步骤5：在步骤4得到的软磁薄膜上沉积防氧化的保护层，得到多层薄膜结构，如图1所示；

步骤6：将步骤5得到的多层薄膜结构置于饱和磁化磁场中，对多层薄膜结构进行饱和磁化，其中，磁场的方向垂直于膜面；

步骤7：沿传播自旋波通道处采用单极磁头的写入磁场局域翻转永磁薄膜的磁化方向，形成DE模式自旋波的传播通道，即可得到自偏置的自旋波波导。

进一步地，所述永磁薄膜是指利用界面效应形成的具有垂直各向异性的薄膜，该永磁薄膜中包含Co/Ni薄膜、Co/Pd薄膜、Co/Pt薄膜或Fe/Pt薄膜中的至少一种，其厚度为10～20nm，其具体的层数根据传播自旋波的频率决定。

进一步地，所述绝缘介质薄膜为电阻率大于1010Ω.cm的绝缘介质形成的薄膜，具体为SiO₂等。

进一步地，所述软磁薄膜为低阻尼系数(阻尼系数小于2×10^-3)的合金形成的薄膜，具体为NiFe合金、CoFeB合金等。

本发明的有益效果为：

1、本发明自偏置的自旋波波导采用垂直各向异性的永磁薄膜与软磁薄膜(合金薄膜)形成交换-弹性(exchange-spring)结构，由于永磁薄膜上下磁畴形成的磁通使软磁薄膜中的磁矩沿磁通方向整齐排布，这样，在没有偏置磁场的情况下就能形成自旋波波导，实现了自旋波波导的自偏置；其自偏置场的大小可通过永磁材料的种类及厚度调节，有利于实现集成化的自旋波波导，为集成自旋波器件的应用打下了基础。

2、本发明自偏置的自旋波波导中永磁薄膜的翻转区域可采用单极磁头选择，可实现可重构的自旋波波导(即自旋波波导传播的路径可变)的制备，易于实现自旋波波导的转角，使自旋波器件应用系统更加紧凑。

3、本发明自偏置的自旋波波导的制备过程中无需采用光刻工艺，方法简单，成本低。

附图说明

图1为本发明提供的自偏置的自旋波波导的结构示意图；

图2为本发明提供的自偏置的自旋波波导的制备流程示意图；

图3为本发明提供的自偏置的自旋波波导形成的原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。

实施例

一种自偏置的自旋波波导的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：先后采用丙酮、乙醇和去离子水对Si(100)基片进行清洗，清洗后置于氮气气氛下干燥；

步骤2：将步骤1清洗干燥后的Si基片放置于磁控溅射设备真空腔中，当背底真空小于10^-8mbar后，向真空腔内通入5N级工作氩气，调节氩气的流量使工作气压保持在8.0×10^-4mbar，采用磁控溅射法在基片表面依次沉积Ta(5nm)/Pd(3nm)/[Co(0.5nm)/Pd(1nm)]₅(5代表Co/Pd薄膜的重复周期为5次)，得到厚度为15.5nm的永磁薄膜；

步骤3：采用常规磁控溅射法在步骤2得到的永磁薄膜上沉积1nm厚的SiO₂绝缘介质薄膜；其中，背底真空为小于10^-8mbar，溅射气体为5N级氩气，溅射气压为8×10^-4mbar；

步骤4：采用磁控溅射法在步骤3得到的绝缘介质薄膜上沉积20nm厚的NiFe合金薄膜(NiFe合金中镍的质量分数为81％，铁的质量分数为19％)；其中，背底真空为小于10^-8mbar，溅射气体为5N级氩气，溅射气压为2.0×10^-4mbar，调节靶基距，使溅射速率为0.2nm/s；

步骤5：在步骤4得到的合金薄膜上磁控溅射2nm厚的Pt保护膜，形成如图1所示的多层薄膜结构；其中，溅射条件为：背底真空为小于10^-8mbar，溅射气体为5N级氩气，溅射气压为8×10^-4mbar；

步骤6：将步骤5得到的多层薄膜结构从真空腔中取出，然后放入大小为2T、方向为垂直于膜面的磁场中保持10min，使多层薄膜结构饱和磁化；

步骤7：在多层薄膜结构上选定自旋波波导的位置，采用单极磁头的写入磁场局域翻转永磁薄膜的磁化方向，形成DE模式自旋波的传播通道，即可得到自偏置的自旋波波导。

采用微磁学仿真对实施例得到的多层薄膜结构进行仿真，仿真参数如下：软磁薄膜为NiFe合金，其饱和磁化强度Ms＝8×10⁵A/m，各向异性常数k＝0J/m³，交换常数A＝13pJ/m；永磁薄膜的饱和磁化强度Ms＝3.7×10⁵A/m，各向异性常数k＝6.3×10⁵J/m³，交换常数为A＝6pJ/m；软磁薄膜与永磁薄膜之间的交换常数A＝9.5pJ/m。仿真结果如图3所示，从图中可以看出由于永磁薄膜与软磁薄膜之间的交换弹性作用，使得图中的虚线方框区域的磁矩沿同一方向整齐排列，若传播自旋波的波矢沿磁矩垂直方向，则形成为传播DE模式的自旋波波导。