一种基于径向磁涡旋的自旋纳米振荡器的制作方法

本发明属于自旋电子学，涉及一种基于径向磁涡旋的自旋纳米振荡器。

背景技术：

1、自旋转移矩纳米振荡器(spin transfer torque nano-oscillator,stno)作为一种微波信号发生装置，具有体积小易于集成、发射信号频率高、功耗低、工作温度范围宽等优势，可广泛应用于基站、雷达等设施。此外，作为具有纳米磁结构的信息载体，径向磁涡旋具有体积小、驱动电流密度低、存储密度高、运动速度快等优势，最重要的是具有拓扑保护的属性，能够保证在自旋电子学器件的应用中具有良好的稳定性。因此，设计基于径向磁涡旋的自旋纳米振荡器具有广阔的应用前景。

2、自旋纳米振荡器的设计为基于典型的自旋阀结构或隧道结结构，包括两个铁磁层和间隔层，其中一个铁磁层为钉扎层，另一个铁磁层则为自由层，自由层中磁矩在激励场的作用下可绕有效场方向发生进动或翻转。基本原理为自旋转移矩效应(spin transfertorque,stt)和巨磁电阻效应(giant magneto resistance,gmr)，在电荷流通过钉扎层后，与钉扎层磁矩方向相同的极化电子将自旋转移到自由层中磁矩，从而产生力矩的效果，激励自由层中磁矩随时间发生进动，当自由层中磁矩和钉扎层中磁矩方向同向平行时，磁电阻最小；当二者反平行时，磁电阻最大，因此在自由层中磁矩周期性进动过程中，其磁电阻大小也将不断发生周期性变化，最后将磁电阻的变化转化为具有特定频率的微波信号。然而，传统的lc振荡器和晶体振荡器输出信号频率较低，且输出频率单一无法调节，随着自旋电子学器件逐步向高频化方向的发展，显然是难以满足的。为解决此问题，目前学术界和工业界已做出多种尝试，如利用电压控制的自旋纳米振荡器或利用具有层间反铁磁耦合的双层结构以提高输出频率，然而此类方法却增加了器件的复杂度，造成器件的不稳定性增加，并且也无法起到调节信号频率的作用。

3、因此，研发出一种在大电流密度下工作稳定、能提高输出信号频率和调节信号频率的基于径向磁涡旋的自旋纳米振荡器是目前急需的课题。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种基于径向磁涡旋的自旋纳米振荡器，不仅体积小、功率低、大电流密度下工作稳定，还具有提高输出信号频率和调节信号频率的功能。

2、本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于径向磁涡旋的自旋纳米振荡器，其特征在于：包括从上至下依次层叠设置的电极、重金属层、自由层、间隔层、钉扎层和衬底，其中衬底为硅衬底，电极、重金属层、自由层、间隔层、钉扎层和衬底之间分别采用磁控溅射、真空蒸镀或分子束外延方式结合固定，在自由层的上端面中心区域成型有中心区域低两边高、能够限制径向磁涡旋进动的势垒结构。

3、作为优选，所述电极是由导电金属制成，导电金属选自cu、au、ag、pt、ir、pd中的一种；重金属层的材质选自pt、ta、pd、ir、au、gd、hf、w、re、os、hg、tl、pb、bi、po、sm中的任意一种或多种；自由层为磁性薄膜层，材质选自feni、co、cofeb、fege、coni、coge、cofege、cofegd、feconi和coznmn中的任意一种或多种；间隔层的材质为非磁性导电材料或非磁绝缘材料，其中非磁性导电材料包括ti、v、zn、cu、ag、au、nb、ta、cr、mo、w、re、ru、os、rh、ir、pt、hf、cd、zr、sc的一种或多种，非磁绝缘材料包括mgo、al2o3、al2mgo4、zno、znmgo2、tio2、hfo2、tao2、cd2o3、zro2、ga2o3、sc2o3、v2o5、fe2o3、co2o3、nio、cuo的一种或多种；钉扎层为硬磁性材料，选用fept、smco、ndfeb、copt或fecrpt中的一种。

4、进一步，所述电极、重金属层、自由层、间隔层、钉扎层和衬底为同心层叠结构，电极为圆柱形，其半径为5～50nm，重金属层、自由层、间隔层、钉扎层和衬底为半径相同的圆盘形，半径r2为50～500nm，重金属层厚2～10nm、自由层厚0.5～3nm、间隔层厚1～3nm、钉扎层厚0.8～20nm、衬底厚1～3nm。

5、进一步，所述自由层的上端面中心区域通过紫外光刻技术刻蚀掉一定厚度，形成中心区域低两边高的势垒结构，边界处势垒形状包括但不限于矩形、三角形、弧线形、阶梯形、梯形以及非对称结构的一种；自由层中径向磁涡旋所在区域半径r1为40～400nm，整个圆盘半径r2为50～500nm，势垒宽度δ＝r2–r1为10～100nm。

6、再进一步优选，所述衬底厚度为2nm，电极为cu，半径为6～15nm，其余各层的圆盘半径均为50nm，其中重金属层为pt，厚度为2nm，间隔层为mgo，厚度为1nm，钉扎层为smco，厚度为1nm，自由层为feni，势垒区域厚度为2nm，势垒宽度δ为5～25nm，自由层中径向磁涡旋所在区域厚度为1nm，径向磁涡旋进动区域半径r1为25～45nm。

7、最后，所述电极层不局限于圆柱形，重金属层、自由层、间隔层、钉扎层和衬底不局限于圆形盘，还可以为椭圆形、三角形、正方形、长方形、正五边形、正六边形、圆环或椭圆环形状。

8、与现有技术相比，本发明的优点在于：采用电极、重金属层、自由层、间隔层、钉扎层和衬底依次层叠结构，并通过紫外光刻技术对自由层中心区域进行刻蚀，得到中心区域低两边高的势垒结构，通过对势垒宽度的改变影响径向磁涡旋的运动区域，进而实现对微波信号频率进行调节。本发明与传统的自旋纳米振荡器件相比具有尺寸小、功耗低的优点，不需要电压或者磁场辅助，即可获得具有较高频率的微波信号，具有较高的转化效率；可以通过改变势垒宽度从而影响径向磁涡旋的进动区域，实现对输出信号频率的调节；可以通过改变极化电流密度与电极面积起到调频的作用，同时在大电流密度下工作稳定，克服了传统自旋纳米振荡器中涡旋核易在边界处发生湮灭的缺点，提高了实用性和稳定性，可应用于高频化、小型化的集成电子电路中，具有广阔的应用前景。

技术特征：

1.一种基于径向磁涡旋的自旋纳米振荡器，其特征在于：包括从上至下依次层叠设置的电极、重金属层、自由层、间隔层、钉扎层和衬底，其中衬底为硅衬底，电极、重金属层、自由层、间隔层、钉扎层和衬底之间分别采用磁控溅射、真空蒸镀或分子束外延方式结合固定，在自由层的上端面中心区域成型有中心区域低两边高、能够限制径向磁涡旋进动的的势垒结构。

2.根据权利要求1所述的自旋纳米振荡器，其特征在于：所述电极是由导电金属制成，导电金属选自cu、au、ag、pt、ir、pd中的一种；重金属层的材质选自pt、ta、pd、ir、au、gd、hf、w、re、os、hg、tl、pb、bi、po、sm中的任意一种或多种；自由层为磁性薄膜层，材质选自feni、co、cofeb、fege、coni、coge、cofege、cofegd、feconi和coznmn中的任意一种或多种；间隔层的材质为非磁性导电材料或非磁绝缘材料，其中非磁性导电材料包括ti、v、zn、cu、ag、au、nb、ta、cr、mo、w、re、ru、os、rh、ir、pt、hf、cd、zr、sc的一种或多种，非磁绝缘材料包括mgo、al2o3、al2mgo4、zno、znmgo2、tio2、hfo2、tao2、cd2o3、zro2、ga2o3、sc2o3、v2o5、fe2o3、co2o3、nio、cuo的一种或多种；钉扎层为硬磁性材料，选用fept、smco、ndfeb、copt或fecrpt中的一种。

3.根据权利要求2所述的自旋纳米振荡器，其特征在于：所述电极、重金属层、自由层、间隔层、钉扎层和衬底为同心层叠结构，电极为圆柱形，其半径为5～50nm，重金属层、自由层、间隔层、钉扎层和衬底为半径相同的圆盘形，半径r2为50～500nm，重金属层厚2～10nm、自由层厚0.5～3nm、间隔层厚1～3nm、钉扎层厚0.8～20nm、衬底厚1～3nm。

4.根据权利要求3所述的自旋纳米振荡器，其特征在于：所述自由层的上端面中心区域通过紫外光刻技术刻蚀掉一定厚度，形成中心区域低两边高的势垒结构，边界处势垒形状包括但不限于矩形、三角形、弧线形、阶梯形、梯形以及非对称结构的一种。

5.根据权利要求4所述的自旋纳米振荡器，其特征在于：所述衬底厚度为2nm，电极为cu，半径为6～15nm，其余各层的圆盘半径均为50nm，其中重金属层为pt，厚度为2nm，间隔层为mgo，厚度为1nm，钉扎层为smco，厚度为1nm，自由层为feni，势垒区域厚度为2nm，势垒宽度δ为5～25nm，自由层中径向磁涡旋所在区域厚度为1nm，径向磁涡旋进动区域半径r1为25～45nm。

6.根据权利要求3至5任一权利所述的自旋纳米振荡器，其特征在于：所述电极层不局限于圆柱形，重金属层、自由层、间隔层、钉扎层和衬底不局限于圆形盘，还可以为椭圆形、三角形、正方形、长方形、正五边形、正六边形、圆环或椭圆环形状。

技术总结
一种基于径向磁涡旋的自旋纳米振荡器，包括从上至下依次层叠设置的电极、重金属层、自由层、间隔层、钉扎层和衬底，其中衬底为硅衬底，电极、重金属层、自由层、间隔层、钉扎层和衬底之间分别采用磁控溅射、真空蒸镀或分子束外延方式结合固定，在自由层的上端面中心区域成型有中心区域低两边高、能够限制径向磁涡旋进动的势垒结构，以此实现提高输出信号频率和调节信号频率的功能。本发明的自旋纳米振荡器尺寸小、功耗低、易于生产，同时在大电流密度下工作稳定，克服了传统自旋纳米振荡器中涡旋核易在边界处发生湮灭的缺点，提高了实用性和稳定性，还具有提高输出信号频率和调节信号频率的功能，可应用于高频化、小型化的集成电子电路中，具有广阔的应用前景。

技术研发人员：马云旭
受保护的技术使用者：东睦新材料集团股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17