一种平面型自旋泵浦微波探测器、制备方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种平面型自旋泵浦微波探测器、制备方法及系统。该微波探测器包括：平面探测本体及设于平面探测本体外的磁场结构；所述平面探测本体包括：衬底层；铁磁层，设于所述衬底层之上；平面自旋霍尔金属层，设于所述铁磁层之上；所述磁场结构适于为所述平面探测本体提供面外磁场。本发明专利技术可简化微波探测器的结构，提高微波探测器的集成化。提高微波探测器的集成化。提高微波探测器的集成化。

【技术实现步骤摘要】
一种平面型自旋泵浦微波探测器、制备方法及系统


[0001]本专利技术涉及微波电子设备
，特别涉及一种平面型自旋泵浦微波探测器、制备平面型自旋泵浦微波探测器的方法及平面型自旋泵浦微波探测系统。

技术介绍

[0002]微波电子设备在通讯、军事、医疗等领域都有着重要的应用。在许多应用场景下都需要进行微波探测，例如产品技术的研发、环境评估、组织检测等。
[0003]常用的微波探测是用天线感应输出高频电信号，用微波功率探测器得到微波功率。这种方法只适用于探测特定频率的微波，并且需要配套昂贵的设备。
[0004]近年来，一些新型微波探测器问世：一类探测器基于磁隧道结（MTJ）受微波驱动时隧穿磁电阻的变化实现微波探测；另一类则基于金属
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铁磁双层膜的自旋泵浦
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逆自旋霍尔效应（SP
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ISHE），对微波进行探测。这两种方法能够在小尺度内探测局域微波功率，灵敏度高，并且通过改变外磁场对特定频率的微波进行选择性探测。
[0005]自旋泵浦微波探测器在技术上较为新颖，相比于MTJ微波探测器，具有结构简单、稳定性强、频率范围大的优点。如图1所示的一种基于自旋泵浦效应的微波功率探测器，包括：微纳尺度器件，所述微纳尺度器件包括由磁性薄膜层1和非磁性重金属薄膜层2组成的异质结构，所述非磁性重金属薄膜层2是在所述磁性薄膜层1上生长所得；所述微纳尺度器件的磁性薄膜层磁矩在微波激励下发生铁磁共振拉莫尔进动，自旋泵浦产生自旋流注入到所述非磁性重金属薄膜层2中，在所述逆自旋霍尔电压的测试过程中，逆自旋霍尔电压的磁场积分数值与微波功率的数值满足一定线性关系。在图1中，H表达的是偏置外磁场，M为微波能量，V是反自旋霍尔电压(VISHE)，N处表达的是泵浦自旋流。在图1所示的微波功率探测器中，以单晶钇铁石榴石(YIG)和铂(Pt)为例，使用在不同微波脉冲功率下，计算YIG(490nm)/Pt(10nm)异质结器件的逆自旋霍尔电压VISHE曲线的面积S，其中，微波频率固定在7GHz，例如在3mW的微波功率下，产生的逆自旋霍尔电压VISHE约为2 .93微伏，积分面积S为18 .55；随着功率的线性增加到199 .5mW，测得的逆自旋霍尔电压为52 .27微伏，积分面积增加到588 .92，线性率高达99 .5％。因此，现有技术的该种微波功率探测器可基于逆自旋霍尔电压的测试对微波进行探测。
[0006]然而受限于逆自旋霍尔效应的几何构型，图1的微波功率探测器本身虽然是平面结构，但需要外加一个面内的静磁场。目前常用的集成化方法是在探测器的正上方或正下方电绝缘地覆盖一条金属条带，通过电流的奥斯特场产生面内的磁场。但这一方法的缺陷在于：金属条带会引入额外的微波屏蔽和吸收；通电金属条带产生的面内奥斯特场效率低，磁场范围小；金属条带占用面积大，限制了微波探测器的使用。因此，现有技术的微波探测器受到额外配备磁场装置的限制，无法实现器件小型化。

技术实现思路

[0007]本专利技术技术方案解决的技术问题为：如何简化微波探测器的结构，如何实现微波
探测器的小型化，以提高微波探测器的集成化。
[0008]为了解决上述技术问题，本专利技术技术方案提供了一种平面型自旋泵浦微波探测器，包括：平面探测本体及设于平面探测本体外的磁场结构；所述平面探测本体包括：衬底层；铁磁层，设于所述衬底层之上；平面自旋霍尔金属层，设于所述铁磁层之上；所述磁场结构适于为所述平面探测本体提供面外磁场。
[0009]可选的，所述磁场结构为设于所述衬底层之下的电磁铁。
[0010]可选的，所述衬底层为减薄衬底，所述电磁铁设于减薄衬底背面。
[0011]可选的，所述磁场结构包括：覆盖层，设于所述平面自旋霍尔金属层之上；单圈或多圈电流环，设于所述覆盖层之上。
[0012]可选的，使用光刻Lift
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Off工艺在所述覆盖层之上磁控溅射生长Au线圈结构以形成所述电流环。
[0013]可选的，所述覆盖层采用二氧化硅纳米薄膜。
[0014]可选的，沿着垂直于所述平面自旋霍尔金属层生长的方向刻出条带直至所述衬底层，使用金属掩模版在所述条带的中心区域磁控溅射生长得到所述二氧化硅纳米薄膜，以形成所述覆盖层。
[0015]可选的，所述平面自旋霍尔金属层采用CoPt/CuPt双层膜、斜柱状晶金属膜、MoTe2薄膜或者IrMn薄膜。
[0016]可选的，所述斜柱状晶金属膜采用Ta、Cr、Pt或W制备。
[0017]可选的，在所述铁磁层表面采用磁控生长Cr层，接着磁控生长Al层，以形成所述平面自旋霍尔金属层。
[0018]可选的，所述铁磁层采用铁磁绝缘体材料制备，所述衬底层采用与所述铁磁层匹配的氧化物衬底制备。
[0019]可选的，在所述衬底层上采用PLD技术生长Bi：YIG层以形成所述铁磁层。
[0020]为了解决上述技术问题，本专利技术技术方案还提供了一种平面型自旋泵浦微波探测系统，包括：至少一个如上所述的平面型自旋泵浦微波探测器；磁场电流源模块，适于为所述磁场结构提供电流信号以产生所述面外磁场；电压测量模块，适于测量所述平面探测本体在面外磁场激励下产生的逆自旋霍尔电压；通讯模块，适于控制所述磁场电流源与电压测量模块同步。
[0021]为了解决上述技术问题，本专利技术技术方案还提供了一种制备平面型自旋泵浦微波探测器的方法，其特征在于，包括：制备平面探测本体；以及，为所述平面探测本体配置磁场结构，所述磁场结构适于为所述平面探测本体提供面外磁场；所述制备平面探测本体包括：
在衬底层上生长磁铁层；在所述磁铁层上采用磁控溅射生长平面自旋霍尔金属层。
[0022]可选的，所述为所述平面探测本体配置磁场结构包括：在所述衬底层背面设置电磁铁以配置所述磁场结构；所述衬底层为减薄衬底。
[0023]可选的，所述制备平面探测本体还包括：沿着垂直于所述平面自旋霍尔金属层生长的方向刻出条带，刻至所述衬底层；使用金属掩模版在所述条带的中心区域磁控溅射生长二氧化硅覆盖层；所述为所述平面探测本体配置磁场结构包括：使用光刻Lift
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Off工艺在所述覆盖层之上磁控溅射生长Au线圈结构以形成所述磁场结构。
[0024]可选的，所述在衬底层上生长磁铁层包括：在GSGG衬底上采用PLD技术生长30nm的Bi:YIG溅射薄膜，再在氧压12 Pa、激光光强1.63 J/cm2、730 ℃条件下原位退火15min，以形成所述磁铁层。
[0025]可选的，所述在所述磁铁层上采用磁控溅射生长平面自旋霍尔金属层包括：靶与衬底表面成45
°
角，直流功率50W，在所述磁铁层表面采用磁控溅射室温生长5 nm的Cr层，接着直流功率30W，磁控生长2 nm的Al层，以形成所述平面自旋霍尔金属层。
[0026]可选的，所述沿着垂直于所述平面自旋霍尔金属层生长的方向刻出条带包括：沿着垂直于Cr层斜生长的方向刻出200 um长、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种平面型自旋泵浦微波探测器，其特征在于：包括平面探测本体及设于平面探测本体外的磁场结构；所述平面探测本体包括衬底层；铁磁层，设于所述衬底层之上；平面自旋霍尔金属层，设于所述铁磁层之上；所述磁场结构适于为所述平面探测本体提供面外磁场。2.如权利要求1所述的平面型自旋泵浦微波探测器，其特征在于：所述磁场结构为设于所述衬底层之下的电磁铁。3.如权利要求2所述的平面型自旋泵浦微波探测器，其特征在于：所述衬底层为减薄衬底，所述电磁铁设于减薄衬底背面。4.如权利要求1所述的平面型自旋泵浦微波探测器，其特征在于：所述磁场结构包括覆盖层，设于所述平面自旋霍尔金属层之上；单圈或多圈电流环，设于所述覆盖层之上。5.如权利要求4所述的平面型自旋泵浦微波探测器，其特征在于：使用光刻Lift
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Off工艺在所述覆盖层之上磁控溅射生长Au线圈结构以形成所述电流环。6.如权利要求4所述的平面型自旋泵浦微波探测器，其特征在于：所述覆盖层采用二氧化硅纳米薄膜。7.如权利要求4或6所述的平面型自旋泵浦微波探测器，其特征在于：沿着垂直于所述平面自旋霍尔金属层生长的方向刻出条带直至所述衬底层，使用金属掩模版在所述条带的中心区域磁控溅射生长得到二氧化硅纳米薄膜，以形成所述覆盖层。8.如权利要求1所述的平面型自旋泵浦微波探测器，其特征在于：所述平面自旋霍尔金属层采用CoPt/CuPt双层膜、斜柱状晶金属膜、MoTe2薄膜或者IrMn薄膜。9.如权利要求8所述的平面型自旋泵浦微波探测器，其特征在于：所述斜柱状晶金属膜采用Ta、Cr、Pt或W制备。10.如权利要求8所述的平面型自旋泵浦微波探测器，其特征在于：在所述铁磁层表面采用磁控生长Cr层，接着磁控生长Al层，以形成所述平面自旋霍尔金属层。11.如权利要求1所述的平面型自旋泵浦微波探测器，其特征在于：所述铁磁层采用铁磁绝缘体材料制备，所述衬底层采用与所述铁磁层匹配的氧化物衬底制备。12.如权利要求11所述的平面型自旋泵浦微波探测器，其特征在于：在所述衬底层上采用PLD技术生长Bi：YIG层以形成所述铁磁层。13.一种平面型自旋泵浦微波探测系统，其特征在于：包括至少一个如权利要求1至12任一项所述的平面型自旋泵浦微波探测器；磁场电流源模块，适于为所述磁场结构提供电流信号以产生所述面外磁场；电压测量模块，适于测量所述平面探测本体在面外磁场激励下产生的逆自旋霍尔电压；通讯模块，适于控...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘昊霖，侯达之，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：