[发明专利]具有高输出功率的自旋转矩振荡器及其应用

说明书

本发明涉及具有高输出功率的自旋转矩振荡器及其应用。一种自旋转矩振荡器可包括：第一参考磁层，其具有固定磁化；进动磁层，其具有能绕初始方向进动的磁化；以及第一势垒层，其夹置在所述第一参考磁层和所述进动磁层之间，并且由能产生负微分电阻的绝缘材料形成。

技术领域

本发明总体上涉及自旋电子学领域，更特别地，涉及一种具有高输出功率的自旋转矩振荡器(STO)和包括该自旋转矩振荡器的电子器件。

背景技术

2003年，Kiselev等人发现当自旋极化的DC电流通过纳米尺寸的巨磁电阻(GMR)多层膜时，会产生自旋转移力矩(spin transfer torque，STT)，在合适的条件下其会使自由层磁化发生振荡，从而输出高频信号(参见Kiselev S I,Sankey J C,Kirvorotov I N,etal.Microwave oscillations of ananomagnet driven by a spin-polarizedcurrent.Nature,2003,425:380)。利用该现象可以制作自旋转矩振荡器(spin transferoscillator，STO)。自旋转矩振荡器具有很多优点，例如结构简单，尺寸小(是现有的晶体振荡器的大约五十分之一)、频率调制范围宽(0.1-100GHz)、易集成、工作电压低(0.5V)等。自旋转矩振荡器良好地解决了传统LC振荡器和晶体振荡器的诸多问题，被认为是下一代振荡器的候选者，因此得到了广泛的研究。

然而，自旋转矩振荡器有其本身的缺陷，即输出功率较低。自旋转矩振荡器的输出功率与磁致电阻的平方成正比，而目前采用具有较高磁致电阻的磁性隧道结(MTJ)制作的自旋转矩振荡器的输出功率一般也在纳瓦(nW)量级，远远低于实用所需的毫瓦(mW)量级。2013年，曾中明等人采用新型的磁性隧道结结构实现了最高63nW的功率输出(参见Zeng ZM,Finocchio G,Zhang B,et al.Ultralow-current-density and bias-field-freespin-transfer nano-oscillator.Sci Rep,2013,3:1426)，但这仍与实用级别的输出功率要求相去甚远。

发明内容

本发明的一些实施例提供一种自旋转矩振荡器，其包括：第一参考磁层，其具有固定磁化；进动磁层，其具有能绕初始方向进动的磁化；以及第一势垒层，其夹置在所述第一参考磁层和所述进动磁层之间，并且由能产生负微分电阻的绝缘材料形成。

在一些示例中，所述第一势垒层由具有立方晶体结构的材料AB形成，其中A为阳离子位，B为阴离子位，A位被Mg、Al、Zn和空位中的至少两种无序占据，B位被O、N、Cl、F和空位中的一种或多种占据。

在一些示例中，所述第一势垒层具有4至7个原子层的厚度。

在一些示例中，所述进动磁层的磁化的初始方向平行于所述第一参考磁层的磁化。

在一些示例中，所述自旋转矩振荡器还包括：第二势垒层，其由绝缘材料形成，并且设置在所述进动磁层的与所述第一势垒层相反的一侧；以及第二参考层，其具有固定磁化，并且设置在所述第二势垒层的与所述进动磁层相反的一侧。

在一些示例中，所述第二势垒层由能产生负微分电阻的绝缘材料形成。

在一些示例中，所述第二势垒层具有4至7个原子层的厚度。

在一些示例中，所述第二参考层的磁化在与所述第一参考层的磁化平行的方向上。