专利摘要

本发明提供自旋转移矩纳米柱微波振荡器及其调控方法，包括采用单一材料的坡莫合金薄膜；坡莫合金薄膜的下层刻蚀成长度为最长边的片状长方体，记为底座，作为固定层；上层刻蚀成高度为最长边的纳米柱，作为自由层。本发明通过对底座宽度和厚度的调控，提高纳米柱磁矩振荡的振幅；改变纳米柱尺寸，调控纳米柱内部磁矩运动状态；在底座结构纳米柱阵列微波振荡器上，通过调控纳米柱间距达到多个纳米柱磁矩振荡信号互相锁相(即同步)，大幅度提高纳米柱阵列振荡器振荡信号的振幅、功率输出；沿底座最长边施加变化的外磁场来调控纳米柱阵列振荡器振幅以及通过加载变化的直流电流密度来调控纳米柱阵列振荡器频率。

权利要求

1.自旋转移矩纳米柱微波振荡器，其特征在于，包括采用单一材料的坡莫合金薄膜；坡莫合金薄膜的下层刻蚀成长度为最长边的片状长方体，记为底座，作为固定层；上层刻蚀成高度为最长边的纳米柱，作为自由层；

所述的固定层具有面内磁化方向；所述的自由层具有垂直磁化方向。

2.根据权利要求1所述的自旋转移矩纳米柱微波振荡器，其特征在于，所述的纳米柱的尺寸可调，用于调控纳米柱内部的磁矩运动状态；所述的底座宽度和厚度可调，用于调控纳米柱的磁矩振荡的振幅和频率。

3.根据权利要求1所述的自旋转移矩纳米柱微波振荡器，其特征在于，还包括外加磁场，用于调控单个纳米柱振荡器的振荡振幅。

4.根据权利要求1到3任一项所述的自旋转移矩纳米柱微波振荡器的调控方法，其特征在于，通过改变所述的纳米柱的尺寸，来调控纳米柱内部磁矩运动状态。

5.根据权利要求1到3任一项所述的自旋转移矩纳米柱微波振荡器的调控方法，其特征在于，通过改变所述底座的宽度和厚度，来调控自旋转移矩纳米柱微波振荡器的振幅和频率。

6.根据权利要求1到3任一项所述的自旋转移矩纳米柱微波振荡器的调控方法，其特征在于，所述的底座上刻蚀多个纳米柱形成阵列，通过调控纳米柱的间距使各纳米柱磁矩振荡信号互相锁相，调控自旋转移矩纳米柱微波振荡器的振幅和功率输出。

7.根据权利要求1到3任一项所述的自旋转移矩纳米柱微波振荡器的调控方法，其特征在于，通过施加沿底座固定层长度方向的外磁场，来调控自旋转移矩纳米柱微波振荡器的振幅。

8.根据权利要求1到3任一项所述的自旋转移矩纳米柱微波振荡器的调控方法，其特征在于，通过改变电流密度，来调控自旋转移矩纳米柱微波振荡器的振荡频率。

说明书

技术领域

本发明属于微波振荡器技术领域，具体涉及一种自旋转移矩纳米柱微波振荡器及其调控方法。

背景技术

现有的STNO通常由F1/NM/F2三层结构组成，F1是较厚的磁性钉扎层，F2是较薄的磁性自由层，中间的NM是非磁性金属层。当直流电流通过F1时，电子的自旋方向被极化成与F1磁矩方向相同，得到自旋极化电流。当自旋极化电流通过F2时，F2的磁矩方向会趋于与自旋电子的极化方向相同，相当于把自旋电子的角动量转移给了F2的磁矩。这种三明治结构的STNO因结构比较复杂，工业生产上不易制造。

发明人之前发明了一种具有涡旋畴壁的双层STNO即自旋转移矩纳米柱微波振荡器。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。固定层材料为垂直各向异性的硬磁性材料，自由层的材料为软磁性材料。相比于传统三明治结构的纳米柱振荡器，省去了中间层的双层结构STNO更为简单，简化了工艺流程。然而双层结构STNO的固定层和自由层需要使用两种不同材料单独制备，并且在此基础上做成的纳米柱阵列还需要额外的底座作为支撑，在工业生产上还存在不足和亟待改进之处。

发明内容

本发明的目的是提供一种自旋转移矩纳米柱微波振荡器及其调控方法，相比于三明治结构STNO和具有涡旋畴壁的双层STNO，它在结构上最简单，完全由单一均匀材料坡莫合金刻蚀而成，无需做其他特殊处理，在纳米加工制造过程上更简洁高效，为工业生产提供更多的便利和更高的效率。

具体技术方案为：

自旋转移矩纳米柱微波振荡器，包括采用单一材料的坡莫合金薄膜；坡莫合金薄膜的下层刻蚀成长度为最长边的片状长方体，记为底座，作为固定层；上层刻蚀成高度为最长边的纳米柱，作为自由层。

所述的固定层具有面内磁化方向；所述的自由层具有垂直磁化方向。

所述的纳米柱的尺寸可调，用于调控纳米柱内部的磁矩运动状态；所述的底座宽度和厚度可调，用于调控纳米柱的磁矩振荡的振幅和频率。

所述的底座上刻蚀多个纳米柱形成阵列，调控纳米柱的间距使各纳米柱磁矩振荡信号互相锁相；从而大幅度提高微波纳米柱阵列振荡器件的振幅和功率输出。

还包括外加磁场，用于调控单个纳米柱振荡器的振荡振幅；从而实现纳米柱阵列整体振幅的大幅度提高的目的。

还可以通过改变电流密度可以在较大范围内调控单一纳米柱振荡频率，从而有效调控纳米柱阵列振荡器器件整体的频率。

所述纳米柱的磁矩方向与底座平面垂直，底座的磁矩方向沿底座平面。直流电流沿着底座平面从底座流经纳米柱，自旋转移力矩使纳米柱的磁矩完成周期振荡。

本发明还提供了所述的自旋转移矩纳米柱微波振荡器的调控方法，通过改变所述的纳米柱的尺寸，来调控纳米柱内部磁矩运动状态。

或者，通过改变所述底座的宽度和厚度，来调控自旋转移矩纳米柱微波振荡器的振幅和频率。

或者，所述的底座上刻蚀多个纳米柱形成阵列，通过调控纳米柱的间距使各纳米柱磁矩振荡信号互相锁相，调控自旋转移矩纳米柱微波振荡器的振幅和功率输出。

或者，通过施加沿底座固定层长度方向的外磁场，来调控自旋转移矩纳米柱微波振荡器的振幅。

或者，通过改变电流密度，来调控自旋转移矩纳米柱微波振荡器的振荡频率。

本发明提供了一种自旋转移矩纳米柱微波振荡器及其调控方法，采用坡莫合金单一物质，只需将合金薄膜下层和上层分别刻蚀成具有面内磁化的长方形薄片底座(固定层)和具有垂直磁化的纳米柱(自由层)。简化了生产工艺流程，而且可以很容易地在底座上实现多个纳米柱之间的耦合。通过对底座宽度和厚度的调控，可以提高纳米柱磁矩振荡的振幅。

附图说明

图1(a)为单个纳米柱的自旋转移矩纳米柱微波振荡器结构示意图；

图1(b)为振荡器形成8×4纳米柱阵列的结构示意图；

图2(a)为选取纳米柱尺寸为20nm×30nm×30nm时所得磁矩在Z轴方向的分量Mz随模拟时间的变化；

图2(b)为图2(a)中a，b，c，d各时刻对应的磁化强度分布；

图2(c)为选取纳米柱尺寸为30nm×30nm×40nm，即纳米柱顶部截面为正方形时所得磁矩在X轴方向的分量MX随模拟时间的变化；

图2(d)为图2(c)中a，b，c，d各时刻对应的磁化强度分布；

图3(a)为底座宽度对纳米柱磁矩Mz振荡特性的调控情况；

图3(b)为底座厚度对纳米柱磁矩Mz振荡特性的调控情况；

图4(a)为2×2纳米柱阵列结构示意图，

图4(b)为阵列整体及每个纳米柱的Mz振荡图像；

图5为在图4(a)施加变化的外磁场时获得的磁矩振荡行为；

图6为在图4(a)变化的电流密度对纳米柱磁矩Mz振荡频率的调控。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明进一步说明。但这些例举性实施方式的用途和目的仅用来例举本发明，并非对本发明的实际保护范围构成任何形式的任何限定，更非将本发明的保护范围局限于此。

实施例1

如图1(a)、图1(b)所示，为本实施例提供的自旋转移矩纳米柱微波振荡器的结构示意图，包括由面内磁化的自由层底座和垂直磁化的纳米柱固定层构成基本单元。首先生长出坡莫合金薄膜，然后刻蚀成所需要的形状，即把下层刻蚀成片状的长方体作为底座，其最长边为长方形截面的长，故下层底座具有面内磁化方向，作为固定层；把薄膜上层刻蚀成高度为最长边的纳米方柱，故上层纳米柱具有垂直磁化方向，作为自由层。底座和纳米柱的尺寸均可以作为变量对纳米柱磁矩振荡行为进行调控。在微磁学模拟中，坡莫合金的材料参数设置为：交换系数为1.3×10-11J/m，磁晶各向异性常数为0，饱和磁化强度为8.6×105A/m，自旋极化率选取程序默认值0.4，阻尼系数α＝0.05，非绝热系数β＝0.04，网格尺寸取5nm×5nm×5nm。

所得自旋转移矩纳米柱微波振荡器，在加载直流电流流过固定层时被极化产生自旋电流，所产生的自旋电流可以对自由层的磁矩施加自旋转移力矩作用，超过一定的临界电流时，自旋转移力矩则可以完全补偿局部的磁矩进动阻尼，进而输出微波振荡信号。由于巨磁阻效应，磁矩振荡就被转换成微波振荡电流信号。

如图2(a)、图2(b)、图2(c)、图2(d)所示，为本实施例在改变纳米柱的尺寸，而固定底座尺寸为1000nm×300nm×30nm，加载沿Z轴正方向，直流电流密度为1.86×1012A/m2时获得的底座结构单一纳米柱微波振荡器的磁矩振荡行为，图2(a)为选取纳米柱尺寸为20nm×30nm×30nm时所得磁矩在Z轴方向的分量Mz随模拟时间的变化，可以看出，此尺寸的纳米柱的磁矩绕X轴逆时针旋转，Mz表现出随时间周期振荡的行为。图2(b)为图2(a)中a，b，c，d各时刻对应的磁化强度分布，可以看出整体的Mz产生振荡的主要来源是底座上方的纳米柱区域的磁矩绕X轴逆时针旋转。图2(c)为选取纳米柱尺寸为30nm×30nm×40nm，即纳米柱底面为正方形时所得磁矩在X轴方向的分量MX随模拟时间的变化，可以看出，此尺寸的纳米柱的磁矩绕Z轴顺时针旋转，MX表现出随时间周期振荡的行为。图2(d)为图2(c)中a，b，c，d各时刻对应的磁化强度分布，同样，整体的MX产生振荡的主要来源是底座上方的纳米柱区域的磁矩绕Z轴顺时针旋转。

可见，其他参数不变的前提下，仅仅通过改变纳米柱尺寸就可以有效调控纳米柱自由层内部的磁矩运动状态。

图3(a)、图3(b)为固定纳米柱的尺寸为20nm×30nm×30nm，加载沿Z轴正方向，直流电流密度为1.86×1012A/m2时，改变底座尺寸对本实施例所得振荡器磁矩振荡特性的调控，图3(a)为底座宽度对纳米柱磁矩Mz振荡特性的调控情况，可以看出，底座宽度对纳米柱磁矩Mz振荡特性的影响较大。随着底座宽度增加，频率大约下降了0.6GHz，振荡的振幅却显著提升。图3(b)为底座厚度对纳米柱磁矩Mz振荡特性的调控情况，可以看出，纳米柱磁矩Mz产生周期振荡的频率呈下降趋势，大约下降了1GHz，而振荡振幅则单调增加。

由此可见，可以通过改变底座的宽度和厚度来调控本实施例所得振荡器振荡特性。

实施例2

本实施例对所得全坡莫合金底座结构纳米柱阵列进行了设计，如图1(b)所示，为8×4的纳米柱阵列。该阵列是由行和列数分别为4和8，且行间距(Y轴方向)和列间距(X轴方向)分别为30nm和100nm的32个纳米柱组成。固定底座尺寸为1000nm×300nm×30nm，固定纳米柱尺寸为20nm×30nm×30nm。

图4(a)为简化的2×2纳米柱阵列结构示意图，图4(b)为本实施例以微磁模拟在电流密度为1.86×1012A/m2时所得单个纳米柱和整体磁矩振荡曲线，发现他们之间相互耦合的状态十分理想，由表1可以看到，2×2纳米柱阵列相对于单个纳米柱可以在保持频率基本不变的情况下达到各纳米柱磁矩振荡信号互相锁相(同步)，从而大幅度的提高纳米柱阵列振荡器振幅，实现显著提高器件整体的功率输出的目的。

表1

图5为对图4(a)所述2×2纳米柱阵列振荡器沿底座固定层长度方向(X轴)外加磁场对纳米柱磁矩Mz振荡振幅和频率的调控，可以看到，当外磁场与底座磁矩反向，振幅明显增大；而外磁场不低于-30mT时，振荡频率基本不变。因此可以通过适当地在固定层内施加与固定层磁矩方向相反的磁场，在保证纳米柱振荡频率不受影响的情况下，来提高单个纳米柱磁矩振荡振幅，利用各纳米柱振荡信号锁相，实现纳米柱阵列振荡器振幅大大提高，继而大幅度提高阵列振荡器整体的功率输出的目的。

图6为对图4(a)所述2×2纳米柱阵列振荡器加载变化的电流密度时获得的纳米柱磁矩Mz振荡频率的调控，可以看到，增大电流密度，纳米柱磁矩振荡频率迅速增大。而各纳米柱磁矩振荡信号互相锁相，也即单个纳米柱磁矩振荡频率即为纳米柱阵列的整体磁矩振荡频率。由此，可以通过改变电流密度大幅度调控本实施例所得纳米柱阵列振荡器频率。研究发现，本实施例的纳米柱阵列振荡器件的工作电流范围大约为1.37×1012A/m2到1.04×1013A/m2，可以看出，电流密度是调控该器件磁矩振荡频率的有效方式，并且可调控范围也是较大的。

总之，按照本实施例2所设计的全坡莫合金底座结构纳米柱阵列微波振荡器，只需在底座上刻蚀更多的纳米柱，即可利用各纳米柱磁矩振荡信号互相锁相(同步)，从而大幅度的提高纳米柱阵列振荡器振幅，显著提高器件整体的功率输出；另外，也可以沿底座固定层磁矩反方向施加适当的外磁场，在保证频率不变的条件下提高单个纳米柱磁矩振荡振幅，再利用各纳米柱振荡信号互相锁相，从而迅速提高本实施例2设计的纳米柱阵列振荡器整体的振幅和功率输出。而由于纳米柱信号锁相，单个纳米柱磁矩振荡频率即为纳米柱阵列的整体磁矩振荡频率，因此加载变化的电流密度可较大范围内调控本实施例2所设计的纳米柱阵列振荡器频率。

本发明的目的是提供一种全坡莫合金底座结构的自旋转移矩纳米柱微波振荡器，相比于三明治结构STNO和具有涡旋畴壁的双层STNO，它在结构上最简单，由同种材料坡莫合金刻蚀而成，无需做特殊处理，在纳米加工制造过程上更简洁高效，为工业生产提供更多的便利和更高的效率。并且易于制作多个纳米柱形成阵列分布于底座上，提高振荡器集成度。本发明提供了改变纳米柱尺寸，即可有效调控纳米柱内部磁矩运动状态的方法。还提供了在底座结构纳米柱微波振荡器上，通过调控纳米柱间距达到多个纳米柱磁矩振荡信号互相锁相(即同相)，大幅度提高纳米柱阵列振荡器振荡信号的振幅、功率输出的方法。本发明还提供了提供施加变化的外磁场来调控纳米柱阵列振荡器振幅以及通过改变直流电流密度来有效调控纳米柱阵列振荡器频率的方法。

应当理解，这些实施例的用途仅用于说明本发明而非意欲限制本发明的保护范围。此外，也应理解，在阅读了本发明的技术内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动、修改和/或变型，所有的这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的保护范围之内。

自旋转移矩纳米柱微波振荡器及其调控方法专利购买费用说明

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1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

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4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

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A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。