磁性薄膜结构以及含有其的磁敏传感器器件、应用方法技术

本发明专利技术属于传感器领域，具体为一种磁性薄膜结构以及含有其的磁敏传感器器件、应用方法。本发明专利技术提供的磁性薄膜结构可通过时变电磁激励产生自旋整流效应，从而使得该薄膜结构的磁敏传感器调制，包括调整磁敏传感器工作电压窗口以及提高测量磁电阻率。另外，本发明专利技术还提供一种在给定磁场和给定直流工作电流下的输出电压窗口调制、利用上述磁性薄膜结构或相应磁敏传感器器件进行微波功率探测的使用方法，其通过将磁性薄膜结构或相应磁敏传感器器件的第一磁性层、第二磁性层各引出两个电极接口，并通过预先标定好输入的不同微波功率与磁性薄膜结构磁电阻率值的对应关系，在需要微波探测的场合，通过检测磁性薄膜结构的自旋整流电压或磁电阻率的变化，获得微波功率数值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于传感器领域，具体其涉及磁性薄膜结构以及含有其的磁敏传感器器件、应用方法。
技术介绍
对于自旋阀和赝自旋阀式磁电阻器件，其器件电阻随外磁场变化一般可认为满足：这里RP为两磁性层磁化强度方向同向平行时的电阻，RAP为两磁性层磁化强度方向反平行时的电阻，ΔR＝RAP-RP是两磁性层磁化强度反平行时与平行时的电阻差，θ为两磁性层磁化强度的夹角。当有外界周期性电磁场扰动，如外加适当的时变场电场、时变磁场或时变电流时两磁性层中的一层磁矩将在θH角附近发生进动，从而导致器件电阻亦随之周期性波动，θH为没有外加直流工作电流时的两磁性层磁化强度的夹角，根据欧姆定律可以获得整流效应，称为自旋整流效应。以外加周期性电流i＝i0Sin(ωt)为例，磁电阻器件电阻受电流扰动满足依据欧姆定律，器件输出的电压为即其中直流项即为自旋整流直流电压V0。这种由磁电阻效应与周期性变化的外电磁场(磁场、电场、电流)激励共同引起的整流效应，即自旋整流效应。自旋整流效应可以在多种周期性电磁扰动下发生，包括：对于一般的铁磁性材料和亚铁磁性材料和结构，周期性磁场扰动造成磁矩在θH附近进动，与周期性电场扰动产生的交变电流耦合可发生自旋整流效应；对于存在自旋转移力矩效应的磁性材料和结构，周期性电场扰动产生交变电流进而造成磁矩在θH附近进动，与周期性电场扰动产生的交变电流自身耦合可引起自旋整流效应；对于电场调制磁各向异性磁性材料和结构，周期性电场扰动可直接造成磁矩在θH附近进动，与周期性电场扰动产生的交变电流耦合可引起自旋整流效应。一定磁场H下，磁敏传感器的磁电阻率(MR,Magnetoresistanceratio)可以定义为：是磁敏传感器的重要指标，通常通过优化磁敏传感器的材料组分或改进器件的结构获得高的磁敏传感器磁电阻率，但随器件微纳化材料优化或改进器件结构提高磁电阻率存在一定的困难，因此在实际器件应用中采用其它手段放大器件输出信号或提高器件的磁电阻率十分重要；另一方面，磁电阻器件，包括各种磁敏传感器，其给定磁场下的输出电压窗口ΔV＝VAP-VP，由于其ΔV总是正比于直流工作电流所以在给定的直流工作电流下一般难以调制。本专利基于自旋整流效应和磁电阻率提供一种新的手段利用时变电磁场激励，典型的例如，微波，实现测量磁电阻率的放大和给定磁场和给定直流工作电流下的输出电压窗口调制。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种新的利用自旋整流效应提高磁敏传感器的测量磁电阻率的磁性薄膜结构和器件使用方法，以克服现有技术通过优化磁敏传感器的材料与结构以获得高的磁敏传感器磁电阻率的局限；同时，提供一种调制磁敏传感器在给定磁场和直流工作电流下的输出电压窗口的技术实现手段；另外，本专利还提供基于上述磁性薄膜结构和器件实现微波功率测量的技术方案。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供了以下技术方案：一种纳米磁性薄膜结构，依次包括：第二磁性层、非磁层及第一磁性层；所述第一磁性层具有固定磁化方向，第二磁性层具有可变的磁化方向，同时，第一磁性层矫顽力Hc1与第二磁性层矫顽力Hc2满足Hc1＞Hc2，从而，当第二磁性层磁化方向随外磁场H改变时，第一磁性层磁化方向不受外磁场影响。进一步的，所述第一磁性层可为铁磁材料(FM)层，铁磁材料层与非磁材料(NM)层构成的人工反铁磁结构，或铁磁材料与反铁磁合金材料(AFM)构成的直接钉扎结构，或铁磁材料、反铁磁合金材料和非磁材料(NM)构成的间接钉扎结构，所述第一磁性层的磁化强度方向为生长时施加诱导磁场和/或生长完毕后在诱导磁场下退火的方式控制实现。进一步的，所述第一磁性层(M1)为铁磁材料层构成时，可以直接由一种的铁磁材料构成(FM1)，或由两种或两种以上不同的铁磁材料层复合构成(FM11/FM12或FM11/FM12/……/FM1i，i>2)；进一步的，所述人工反铁磁复合结构是指两铁磁材料层FM11和FM12被一非磁材料层(NM1)间隔开(FM11/NM1/FM12)，且通过层间交换耦合使得两磁性层FM11和FM12的磁化方向共线反向进一步的，所述直接钉扎结构是指反铁磁层直接和铁磁层接触(AFM1/FM1)；进一步的，所述的间接钉扎是指反铁磁层和铁磁层之间插一层很薄的非磁性金属层(AFM1/NM1/FM1)，或者插入复合层构成(AFM1/FM11/NM1/FM12)。所述第二磁性层为可为铁磁材料(FM)层，铁磁材料层与非磁材料(NM)层构成的人工反铁磁结构，进一步的，所述第二磁性层(M2)为铁磁材料层构成时，可以直接由一种的铁磁材料构成(FM2)，或由两种或两种以上不同的铁磁材料层复合构成(FM21/FM22或FM21/FM22/……/FM2j，j>2)；所述的人工反铁磁复合结构是指两铁磁材料层FM21和FM22被一非磁材料层NM2间隔开(FM21/NM2/FM22)，且通过层间交换耦合使得两磁性层FM21和FM22的磁化方向共线反向。优选的，所述反铁磁合金材料为反铁磁合金材料PtMn、IrMn、FeMn、NiMn、或者具有反铁磁性的氧化物材料，所述反铁磁合金材料的厚度为3～30nm；所述具有反铁磁性氧化物材料为CoO、NiO、Cr2O3、BiFeO3或者BiFexCo1-xO3；所述反铁磁性氧化物的厚度为2～50nm。优选的，所述非磁金属材料为Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、Ag、Au或其合金，厚度为0.2～10nm。优选的，所述第一磁性层和第二磁性层的铁磁材料为铁磁金属Co、Fe、Ni或者铁磁金属合金材料，或铁磁性氧化物，或者磁性半金属材料。优选的，铁磁金属合金材料为CoFe、NiFe、CoFeB、CoFeBSi、NiFeCr或NiFeCrSi；优选的，铁磁性氧化物材料为LasrMnO3、Fe3O4；优选的，磁性半金属材料为CoFeAl、CoMnAl、CoMnGe或CoMnGa。进一步的，所述非磁层材料为非磁金属，非磁半导体或非磁绝缘体。非磁层为单一的无机绝缘材料或有机绝缘材料构成；或非磁层为无机绝缘材料(Ii)和/或有机绝缘材料(Io)构成的多层或颗粒复合薄膜结构。进一步的，这里复合多层薄膜结构是指[Ii/Io]m/Ii(1≦m)；复合颗粒薄膜结构是指无机氧化物纳米颗粒均匀分散于有机基质(Ii-Io)或有机绝缘材料颗粒均匀分散于无机基质中(Io-Ii)形成的复合颗粒薄膜。优选的，无机绝缘材料为AlOp、MgO、Mg1-qZnqO、MgjAl2/3(1-q)O、BaTiO3、AlN、Ta2O5、ZnO、ZrO2、HfO2、TiO2及SiO2中的一种或几种；单一无机绝缘材料构成非磁层时层厚度为0.5～5nm；其中，0<p<3/2，0<q<1；优选的，有机绝缘材料(Io)为聚酰亚胺(PI)、聚酰胺(PAI)、聚西弗碱(PA)、聚砜(PS)中的一种或几种，单一有机绝缘材料构成非磁层时层厚度为3nm～100nm；多层或颗粒复合薄膜结构非磁层薄膜厚度为1nm～100nm。进一步的，所述磁性薄膜结构还包含衬底(Substrate,Sub)、缓冲层(BufferLayer,BL)及覆盖层(CappingLayer,CL)；所述缓本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米磁性薄膜结构，依次包括：第二磁性层、非磁层及第一磁性层；其特征在于，所述第一磁性层具有固定磁化方向，第二磁性层具有不同的初始可变的磁化方向，同时，第一磁性层矫顽力Hc1与第二磁性层矫顽力Hc2满足Hc1＞Hc2，该纳米磁性薄膜结构具有自旋整流效应。

【技术特征摘要】
1.一种纳米磁性薄膜结构，依次包括：第二磁性层、非磁层及第一磁性层；其特征在于，所述第一磁性层具有固定磁化方向，第二磁性层具有不同的初始可变的磁化方向，同时，第一磁性层矫顽力Hc1与第二磁性层矫顽力Hc2满足Hc1＞Hc2，该纳米磁性薄膜结构具有自旋整流效应。2.根据权利要求1所述的纳米磁性薄膜结构，其特征在于，所述第一磁性层可为铁磁材料层，铁磁材料层与非磁材料层构成的人工反铁磁结构，或铁磁材料与反铁磁合金材料构成的直接钉扎结构，或铁磁材料、反铁磁合金材料和非磁材料构成的间接钉扎结构；所述人工反铁磁结构是指FM/NM/FM；所述直接钉扎是指反铁磁层AFM直接和铁磁层FM接触构成AFM/FM结构；所述的间接钉扎是指在反铁磁层和铁磁层之间插一层很薄的非磁性金属层即构成AFM/NM/FM结构或者，插入复合层构成AFM/FM/NM/FM结构。3.根据权利要求1所述的纳米磁性薄膜结构，其特征在于，第二磁性层可为铁磁材料层，铁磁材料层与非磁材料层构成的人工反铁磁结构，所述人工反铁磁结构是指FM/NM/FM。4.一种磁敏传感器器件，包含如权利要求1至3任一项所述的磁性薄膜结构，其特征在于，还包含衬底、缓冲层及覆盖层；所述缓冲层设置在衬底上，所述第一磁性层设置在所述缓冲层上；所述覆盖层设置在所述第二磁性层上；所述第一磁性层、第二磁性层分别与两个电极接口导通，分别为第一磁性层第一电极、第一磁性层第二电极、第二磁性层第一电极及第二磁性层第二电极。5.一种将如权利要求1至3任一项所述的磁性薄膜结构或权利要求4相应磁敏传感器器件磁电阻率放大方法和输出电压窗口进行调制的方法，其特征在于，施加直流工作电流的同时给予所述磁性薄膜结构或相应磁敏传感器器件-30dBm～20dBm，频率在0.1GHz～70GHz的时变电磁激励。6.如权利要求5所述的时变电磁激励的方法，其特征在于：实现时变电磁激励的方式为直接注入微波电流，或利用微波磁场与第二磁性层耦合产生的磁共振，或利用微波电场与第二磁性层作用产生的...

【专利技术属性】
技术研发人员：余天，徐延浩，张兆伟，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川;51