基于面外磁各向异性层的自旋霍尔纳米振荡器及制备方法技术

一种基于面外磁各向异性层的自旋霍尔纳米振荡器，属于微波电子设备技术领域。所述纳米振荡器包括基片，以及依次形成于基片之上的面外磁各向异性的磁性薄膜层和非磁性重金属薄膜层。本发明专利技术提供的一种基于面外磁各向异性层的自旋霍尔纳米振荡器中，磁性薄膜层具有面外磁各向异性，相比于传统的基于面内磁各向异性的磁性材料，在相同的驱动电流密度下，面外磁各向异性磁性材料能够获得更大的磁矩进动角和微波输出功率；同时，通过调节电流强度可实现不同功率的高频微波输出，输出微波信号性能良好，且结构简单，功耗低，与CMOS工艺相兼容，易于集成。

Spin Hall nano-oscillator based on out-of-plane magnetic anisotropic layer and its preparation method

A spin Hall nanooscillator based on an out-of-plane magnetic anisotropic layer belongs to the technical field of microwave electronic equipment. The nano-oscillator comprises a substrate, an out-of-plane magnetic anisotropic film layer formed on the substrate and a non-magnetic heavy metal film layer. In the spin Hall nano-oscillator based on the out-of-plane magnetic anisotropy layer, the magnetic film layer has out-of-plane magnetic anisotropy. Compared with the traditional in-plane magnetic anisotropy material, under the same driving current density, the out-of-plane magnetic anisotropy magnetic material can obtain larger magnetic moment precession angle and microwave output power. Current intensity can achieve high frequency microwave output with different power. The output microwave signal has good performance, simple structure, low power consumption, compatibility with CMOS process and easy integration.

【技术实现步骤摘要】
基于面外磁各向异性层的自旋霍尔纳米振荡器及制备方法
本专利技术属于微波电子设备
，具体涉及一种基于面外磁各向异性材料的自旋霍尔纳米振荡器及其制备方法。
技术介绍
现代移动通信中常用的微波源振荡器主要有压控LC振荡器和晶体振荡器等。其中，压控LC振荡器的电路设计灵活，成本低，易实现正弦波输出和可调频率输出，但是，这种振荡器的体积大(微米量级)、频率较低(如GPS：1.6GHZ；GSM：850MHZ；WCDMA：2GHZ)，且频率调节范围小(<20％)。而石英晶体振荡器虽然输出频率精度较高，但其使用频率单一，无法调节。近年来，有研究者提出了基于自旋转矩效应的自旋微波振荡器，这类振荡器的基本结构为磁性膜(FM1)/非磁性膜(NM)/磁性膜(FM2)形成的三明治结构，被FM1层自旋极化的电子穿过NM层，可以对磁性薄膜FM2内的磁矩产生一个力矩的作用，但其受到自旋极化率的制约，在实现微波振荡的过程中往往需要较高的电流密度，这不仅增大了能耗，产生的噪声也会影响输出的微波信号的质量。因此，随着移动通信和卫星通信的迅速发展，对微波振荡器件的小型化、集成化、低功耗和高频可调的要求越来越迫切。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对
技术介绍
存在的缺陷，提出了一种结构简单、成本低廉、易与CMOS技术集成的基于面外磁各向异性材料的自旋霍尔纳米振荡器及其制备方法。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种基于面外磁各向异性层的自旋霍尔纳米振荡器，其特征在于，所述纳米振荡器包括基片，以及依次形成于基片之上的面外磁各向异性的磁性薄膜层和非磁性重金属薄膜层。进一步地，所述磁性薄膜层具有面外磁各向异性，相比于传统的基于面内磁各向异性的磁性材料，在相同的驱动电流密度下，面外磁各向异性磁性材料能够获得更大的磁矩进动角和微波输出功率。进一步地，所述磁性薄膜层为铥铁石榴石(Tm3Fe5O12)、铋掺杂的铥铁石榴石((TmBi)3(FeGa)5O12)或溴化铬等具有面外磁各向异性的磁性薄膜层。进一步地，所述非磁性重金属薄膜层为强自旋轨道耦合材料，具体为钽(Ta)、铂(Pt)、金(Au)、钨(W)或Bi2Te3等。进一步地，所述磁性薄膜层的厚度为1nm～50μm，优选为1nm～1μm。进一步地，所述非磁性重金属薄膜层为1nm～50nm。本专利技术还提供了一种基于面外磁各向异性层的自旋霍尔纳米振荡器的制备方法，具体包括以下步骤：步骤1、清洗基片；步骤2、在步骤1清洗干净的基片上采用薄膜沉积工艺形成厚度为1nm～50μm的磁性薄膜层；步骤3、采用薄膜沉积工艺，在步骤2得到的磁性薄膜层上形成厚度为1nm～50nm的非磁性重金属薄膜层，得到磁性薄膜层和非磁性重金属薄膜层双层异质结构；步骤4、采用刻蚀工艺在步骤3得到的异质结构上制作振荡器图形和电极，得到所述纳米振荡器。进一步地，步骤3所述非磁性重金属薄膜层的制备过程具体为：首先，在10-5Pa量级的真空环境下，以5～80SCCM的流量向真空室内通入氩气，直至背底真空度达到0.1～0.8Pa；然后，打开磁控溅射电源，在10～100W的直流功率下进行溅射处理，得到厚度为1nm～50nm的非磁性重金属薄膜层。本专利技术提供的一种基于面外磁各向异性层的自旋霍尔纳米振荡器，该器件是一种基于自旋霍尔效应的、由纯自旋电流驱动微波信号发生的微纳尺度器件，所述微纳尺度器件在电流流过非磁性重金属薄膜层的平面内时，通过在具有高自旋轨道相互作用的非磁性重金属薄膜层中的不对称电子散射，自旋霍尔效应将平面内非自旋极化电荷流转化为垂直膜面的纯自旋流，所产生的自旋流可以对磁性薄膜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。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：1、本专利技术提供的一种基于面外磁各向异性层的自旋霍尔纳米振荡器中，磁性薄膜层具有面外磁各向异性，相比于传统的基于面内磁各向异性的磁性材料，在相同的驱动电流密度下，面外磁各向异性磁性材料能够获得更大的磁矩进动角和微波输出功率。2、本专利技术提供的一种基于面外磁各向异性层的自旋霍尔纳米振荡器，通过调节电流强度可实现不同功率的高频微波输出，输出微波信号性能良好，且结构简单，功耗低，与CMOS工艺相兼容，易于集成。3、本专利技术提供的一种基于面外磁各向异性层的自旋霍尔纳米振荡器，其激发电流密度为10-8A/cm2以下，相对于面内各向异性磁性膜得到的振荡器具有更小的激发电流密度。附图说明图1为本专利技术提供的一种基于面外磁各向异性层的自旋霍尔纳米振荡器的结构示意图；图2为本专利技术提供的一种基于面外磁各向异性层的自旋霍尔纳米振荡器的制备工艺流程图。具体实施方式下面结合具体的实施例对本专利技术进一步说明。但这些例举性实施方式的用途和目的仅用来例举本专利技术，并非对本专利技术的实际保护范围构成任何形式的任何限定，更非将本专利技术的保护范围局限于此。实施例1如图1所示，为本专利技术提供的一种基于面外磁各向异性层的自旋霍尔纳米振荡器的结构示意图；包括钆镓石榴石(GGG)单晶基片，以及依次形成于GGG基片之上的单晶铥铁石榴石(TmIG)薄膜和铂层。在电流流过铂层的平面内时，通过在具有高自旋轨道相互作用的非磁性重金属薄膜层中的不对称电子散射，自旋霍尔效应将平面内非自旋极化电荷流转化为垂直膜面的纯自旋流，所产生的自旋流可以对磁性薄膜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。本实施例中，单晶铥铁石榴石(TmIG)薄膜的厚度为490nm，铂层的厚度为10nm；在不同的直流电流密度下，计算TmIG(490nm)/Pt(10nm)异质结器件输出微波信号的功率谱密度，结果为：在8×10-7A/cm2电流密度下产生的微波振荡频率为3GHz，微波信号的功率谱密度为0.16fW/MHz；且微波信号输出功率随直流电流密度的增大而线性提高。如图2所示，为实施例提供的一种基于面外磁各向异性层的自旋霍尔纳米振荡器的制备工艺流程图，具体包括以下步骤：步骤1、选取钆镓石榴石(GGG)单晶基片作为基底，清洗后，采用磁控溅射法在单晶基片上生长厚度为490nm的单晶铥铁石榴石(TmIG)薄膜；步骤2、采用磁控溅射法在步骤1得到的薄膜上生长厚度为10nm的铂层，得到TmIG(490nm)/Pt(10nm)双层异质结构；具体过程为：首先，在10-5Pa量级的真空环境下，以40SCCM的流量向真空室内通入氩气，直至背底真空度达到0.3Pa；然后，打开磁控溅射电源，在90W的直流功率下进行重金属靶材的溅射；打开重金属靶材的挡板，匀速旋转长有单晶铥铁石榴石(TmIG)薄膜的基片，到达设定的生长时间后，关闭溅射电源和重金属靶材的挡板，得到TmIG(490nm)/Pt(10nm)双层异质结构；步骤3、采用刻蚀工艺在步骤2得到的异质结构上制作微纳图形；步骤4、对步骤3得到的带微纳图形的异质结构再次进行光刻处理，形成导电电极，即可得到所述纳米振荡器。实施例2本实施例中，基片为钆镓石榴石(GGG)单晶基片；磁性薄膜层为铋掺杂的铥铁石榴石((TmBi)3(FeGa)5O12)，厚度为1μm；非磁性重金属薄膜层为钽(Ta)，厚度为8nm。实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于面外磁各向异性层的自旋霍尔纳米振荡器，其特征在于，所述纳米振荡器包括基片，以及依次形成于基片之上的面外磁各向异性的磁性薄膜层和非磁性重金属薄膜层。

【技术特征摘要】
1.一种基于面外磁各向异性层的自旋霍尔纳米振荡器，其特征在于，所述纳米振荡器包括基片，以及依次形成于基片之上的面外磁各向异性的磁性薄膜层和非磁性重金属薄膜层。2.根据权利要求1所述的基于面外磁各向异性层的自旋霍尔纳米振荡器，其特征在于，所述磁性薄膜层为铥铁石榴石、铋掺杂的铥铁石榴石或溴化铬。3.根据权利要求1所述的基于面外磁各向异性层的自旋霍尔纳米振荡器，其特征在于，所述非磁性重金属薄膜层为强自旋轨道耦合材料，具体为钽、铂、金、钨或Bi2Te3。4.根据权利要求1所述的基于面外磁各向异性层的自旋霍尔纳米振荡器，其特征在于，所述磁性薄膜层的厚度为1nm～50μm。5.根据权利要求1所述的基于面外磁各向异性层的自旋霍尔纳米振荡器，其特征在于，所述非磁性重金属薄膜层为1nm～50nm。6.一种如权利要求1所述的基于面外磁各向异性层的自旋霍尔纳...

【专利技术属性】
技术研发人员：金立川，贾侃成，张岱南，钟智勇，杨青慧，张怀武，李颉，唐晓莉，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51