本發(fā)明總體上涉及自旋微波振蕩器，更特別地，涉及一種基于反鐵磁材料的超高頻自旋微波振蕩器，其能夠產(chǎn)生百吉赫茲以上，甚至高達太赫茲的振蕩信號。

背景技術：

自二十世紀九十年代以來，磁記錄技術伴隨著自旋電子學的發(fā)展而得到了長足的進步。尤其是巨磁電阻(GMR)效應和隧穿磁電阻(TMR)效應的發(fā)現(xiàn)，都極大地提高了磁記錄的密度。典型的GMR自旋閥結(jié)構(gòu)和TMR隧道結(jié)結(jié)構(gòu)都具有所謂的“三明治”結(jié)構(gòu)，包括被兩個鐵磁層夾持的間隔層，其中一個鐵磁層是參考層，其具有固定的磁化方向，另一個鐵磁層是自由層，其磁化方向可以響應于外磁場而自由旋轉(zhuǎn)。對于GMR自旋閥結(jié)構(gòu)而言，兩個鐵磁層之間的間隔層可以是非磁導電金屬；對于TMR隧道結(jié)結(jié)構(gòu)而言，間隔層可以是非磁絕緣層。GMR自旋閥結(jié)構(gòu)和TMR隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的電阻與兩個鐵磁層的磁化方向之間的角度θ的余弦(cos(θ))成比例。當兩個鐵磁層的磁化方向彼此平行時，電阻最?。划攦蓚€鐵磁層的磁化方向彼此反平行時，電阻最大。因此，通過測量GMR自旋閥結(jié)構(gòu)和TMR隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的電阻(或電壓)，可以得到自由層的磁化方向，進而得到外磁場的方向。

在對GMR效應和TMR效應進行研究的過程中，還發(fā)現(xiàn)了許多其他物理現(xiàn)象。例如在2003年，Kiselev等人發(fā)現(xiàn)當自旋極化的DC電流通過納米尺寸的巨磁電阻(GMR)多層膜時，會產(chǎn)生自旋轉(zhuǎn)移力矩(spin transfer torque，STT)，在合適的條件下會使自由層磁化發(fā)生磁阻振蕩，輸出高頻信號(參見Kiselev S I,Sankey J C,Kirvorotov I N,et al.Microwave oscillations of a nanomagnet driven by a spin-polarized current.Nature,2003,425:380)。在該結(jié)構(gòu)中，第一磁層用于產(chǎn)生自旋極化電流，并將其注入到第二磁層中。當自旋極化電流的自旋轉(zhuǎn)移力矩不足以使第二磁層的磁化方向翻轉(zhuǎn)時，第二磁層的磁化將產(chǎn)生進動。這樣，第二磁層扮演了類似納米馬達的作用，它將DC電 流的能量轉(zhuǎn)變成高頻磁進動。由于多層膜結(jié)構(gòu)的電阻與兩個磁層的磁化方向之間的角度θ的余弦(cos(θ))成比例，所以該磁進動會導致電流或電壓的振蕩，從而產(chǎn)生振蕩信號。測量的電信號要大于40倍的室溫熱噪聲，輸出功率范圍為25～100pW/mA，頻率最大可達到40GHz左右，而且微波頻率的位置能由電流和磁場共同或分別調(diào)節(jié)。隨后，Deac等人利用100nm左右的具有MgO勢壘的磁性隧道結(jié)納米柱產(chǎn)生了可以跟實際應用器件相比擬的微波信號輸出功率，約0.43μW(參見Deac M,Fukushima A,Kubota H,et al.Bias-driven high-power microwave emission from MgO-based tunnel magnetoresistance devices,Nature Physics,2008,4:803)。

這種自旋微波振蕩器，也稱為自旋納米振蕩器(spin transfer nano-oscillator，STNO)或自旋電子振蕩器，能產(chǎn)生比傳統(tǒng)的LC振蕩器或晶體振蕩器更高頻率的信號。一般的晶體振蕩器的最高輸出頻率不超過200MHz，而自旋微波振蕩器能輸出高達數(shù)十吉赫茲(GHz)的信號。而且，自旋微波振蕩器還具有很多其他優(yōu)點，例如結(jié)構(gòu)簡單，體積小(是現(xiàn)有的晶體振蕩器的尺寸的五十分之一)、集成度高、頻率高、頻率調(diào)制范圍寬(通?？稍?00MHz到10GHz之間的帶寬調(diào)控)、穩(wěn)定性好以及功耗低等，較現(xiàn)有的微波振蕩器諸如LC振蕩器和晶體振蕩器具有無法比擬的優(yōu)勢，在微波振蕩器、信號發(fā)射源以及微波檢測器等器件中具有極大的應用潛力和前景，被認為是下一代振蕩器的候選者，因此得到了廣泛的研究。

研究的一個方面在于進一步提供自旋微波振蕩器的輸出頻率，例如提高到100GHz以上，甚至達到太赫茲(THz)的級別。THz波又被稱為T射線，在頻域上處于宏觀經(jīng)典理論向微觀量子理論的過渡區(qū)，在電子學向光子學的過渡區(qū)域，長期以來由于缺乏有效的THz輻射產(chǎn)生和檢測方法，對于該波段的了解有限，使得THz成為電磁波譜中最后一個未被全面研究的頻率窗口，被稱為電磁波譜中的“太赫茲間隙(THz Gap)”。THz波的特殊電磁波譜位置賦予了它很多優(yōu)越的特性，有非常重要的應用價值。例如，THz波是具有量子特性的電磁波，具有類似微波的穿透能力，同時又具有類似光波的方向性。THz波頻率很高，因而其空間分辨率很高。THz脈沖很短，在飛秒級，因而THz輻射又具有很高的時間分辨率。THz時域光譜技術和THz成像技術都是目前正在研究的尖端技術。

因此，需要提供一種自旋振蕩器，其能夠輸出更高頻率的振蕩信號。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一個方面在于提供一種自旋微波振蕩器，其能夠提供超高頻率的振蕩信號。

根據(jù)一示范性實施例，一種自旋微波振蕩器，包括磁性多層膜結(jié)構(gòu)，所述磁性多層膜結(jié)構(gòu)在直流偏置下產(chǎn)生微波振蕩信號，所述磁性多層膜結(jié)構(gòu)包括：設置在襯底上的第一電極層，所述第一電極層由導電金屬制成；設置在所述第一電極層上的第一反鐵磁進動層，所述第一反鐵磁進動層由反鐵磁材料制成；以及設置在所述第一反鐵磁進動層上的第二電極層，所述第二電極層由導電金屬制成。

在一示例中，所述自旋微波振蕩器還可包括設置在所述第一電極層和所述第一反鐵磁進動層之間的間隔層，所述間隔層由金屬或絕緣體制成。所述自旋微波振蕩器還可包括設置在所述第一電極層和所述間隔層之間的第一鐵磁層，所述第一鐵磁層由鐵磁材料制成。所述自旋微波振蕩器還可包括設置在所述第一反鐵磁進動層和所述第二電極層之間的第二鐵磁層，所述第二鐵磁層由鐵磁材料制成。

在一示例中，所述自旋微波振蕩器還可包括設置在所述第一反鐵磁進動層和所述第二電極層之間的第一鐵磁層，所述第一鐵磁層由鐵磁材料制成。所述自旋微波振蕩器還可包括設置在所述第一反鐵磁進動層和所述間隔層之間的第二鐵磁層，所述第二鐵磁層由鐵磁材料制成。

在一示例中，所述自旋微波振蕩器還可包括設置在所述第一電極層和所述第一間隔層之間的第二反鐵磁進動層，所述第二反鐵磁進動層由反鐵磁材料制成。所述自旋微波振蕩器還可包括：設置在所述第一電極層和所述第二反鐵磁進動層之間的第一鐵磁層，所述第一鐵磁層由鐵磁材料形成；以及設置在所述第二電極層和所述第一反鐵磁進動層之間的第二鐵磁層，所述第二鐵磁層由鐵磁材料形成。

在一示例中，所述反鐵磁材料選自包括如下材料的組：MnO、NiO、CoO、IrMn、FeMn、PtMn、CrMn、PdMn、PdPtMn、CrPtMn、PdCrO₂、MnCO₃、MnF₂、FeF₂。

在一示例中，所述鐵磁材料選自包括如下材料的組：(Co/Pt)_n、(Co/Pd)_n、(Co/Ni)_n、Fe、Co、Ni、Pr、Nd、Sm、Gd、Te、Dy，CoFe、CoFeB、CoFeSi、 CoFeNi、CoFeAl、CoFeSiAl、CoFeNiAl、CoFeSiB、CoFeNiB、NdFeB、NiFe、GdY、MnGa、MnRuGa、MnAl、MnCr、FePt、CoPt、CoCr、SmCo、FeCr、CoCrPt、FeCrPt、FeCoCr、Fe₃O₄、CrO₂、La_1-xSr_xMnO₃(0.16<x<1.0)、La_1-xCa_xMnO₃(0.18<x<0.5)、Pr_1-xSr_xMnO₃(0.3<x<1.0)、Co₂MnSi，用Fe、Co、Ni、V或Mn摻雜的ZnO、TiO₂、HfO₂和SnO₂，用Fe、Co、Ni、V或Mn摻雜的GaAs、InAs、GaN和ZnTe，其中n是大于等于1的正整數(shù)。

所述基于反鐵磁材料的自旋微波振蕩器能產(chǎn)生頻率高達100GHz以上，甚至達到THz級別的振蕩信號，因此能應用于各種超高頻電子設備中。

附圖說明

圖1示出根據(jù)本發(fā)明一實施例的自旋微波振蕩器的電路框圖。

圖2示出根據(jù)本發(fā)明一實施例的磁性多層膜結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖3示出根據(jù)本發(fā)明另一實施例的磁性多層膜結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖4示出根據(jù)本發(fā)明另一實施例的磁性多層膜結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖5示出根據(jù)本發(fā)明另一實施例的磁性多層膜結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖6示出根據(jù)本發(fā)明另一實施例的磁性多層膜結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖7示出根據(jù)本發(fā)明另一實施例的磁性多層膜結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖8示出根據(jù)本發(fā)明一實施例的自旋微波振蕩器的輸出信號的頻域特性。

具體實施方式

在現(xiàn)有的自旋微波振蕩器中，用于產(chǎn)生自旋極化電流的第一磁層(也稱為參考層)和用于產(chǎn)生磁進動的第二磁層(也稱為自由層)二者都由鐵磁材料制成，這是因為鐵磁材料具有較大的自旋極化率，因此能產(chǎn)生較高的磁電阻，進而輸出較強的振蕩信號。然而，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在利用鐵磁材料制成的自旋微波振蕩器中，輸出頻率的進一步提高遇到了困難。

要產(chǎn)生達到THz級別的超高頻振蕩信號，必然需要滿足以下兩個條件：第一，需要能產(chǎn)生THz頻率的磁進動，從而能夠產(chǎn)生振蕩信號；第二，需要能夠產(chǎn)生磁電阻，從而能夠輸出具有可測量到的強度的振蕩信號。

本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，反鐵磁材料一般具有高達THz的共振響應。反鐵磁材料的共振頻率可以通過下面的公式(1)來計算：

$\mathrm{\&omega;}={\mathrm{\&gamma;\&mu;}}_0{\left[H_a(H_a+{2H}_{\mathrm{ex}})\right]}^{\frac{1}{2}}---\left(1\right)$

其中ω是角速度，γ是回磁比，Ha為各向異性場，Hex為交換場。因此，反鐵磁材料的共振頻率非常高，一般在10²-10³GHz的范圍。也就是說，反鐵磁材料能夠提供高達THz頻率的磁進動。

反鐵磁材料在奈爾溫度以下是磁有序的，這點與鐵磁材料類似。不同的是，反鐵磁材料中的磁矩反平行排列，這不同于鐵磁材料中的平行排列。因此，反鐵磁體的凈磁矩為零。盡管反鐵磁體的宏觀凈磁矩為零，但外加電流仍然能夠在原子尺度上誘導出自旋極化。而且這種自旋極化同樣能夠從反鐵磁體中注入到非磁材料中。此外，由反鐵磁金屬材料構(gòu)成的自旋閥中參考層和自由層的磁有序夾角發(fā)生變化時，同樣可以觀測到電阻變化。例如，對于基于無序γ相IrMn合金的IrMn(0.84nm)/Cu(0.42nm)/IrMn(0.42nm)/Cu(0.42nm)(111)反鐵磁自旋閥，當電流平行于平面時，測量到大約7.7％的巨磁電阻；當電流垂直于平面時，巨磁電阻為大約3.4％。因此，反鐵磁材料也滿足上述第二個條件，即能產(chǎn)生磁電阻。

因此，本發(fā)明人嘗試將反鐵磁材料用于自旋微波振蕩器。由于反鐵磁材料中的磁矩是反平行排列的，不同于鐵磁材料中的平行排列，因此對基于反鐵磁材料的自旋納米振蕩器的多層結(jié)構(gòu)也進行了一定的變化。結(jié)果，本發(fā)明的基于反鐵磁材料的自旋振蕩器實現(xiàn)了100GHz以上，甚至高達THz級別的超高輸出頻率。下面將參照附圖來描述本發(fā)明的實施例。

圖1是根據(jù)本發(fā)明一實施例的自旋微波振蕩器100的示意性電路圖。如圖1所示，自旋微波振蕩器100可包括磁性多層膜結(jié)構(gòu)110，直流偏置結(jié)構(gòu)120以及放大器130。

磁性多層膜結(jié)構(gòu)110可以是根據(jù)本發(fā)明的用于產(chǎn)生微波振蕩信號的磁性多層膜結(jié)構(gòu)，其具體結(jié)構(gòu)將在下面更詳細地描述。直流偏置結(jié)構(gòu)120可以是例如直流電流源，其將直流電流施加到磁性多層膜結(jié)構(gòu)110上。自旋微波振蕩器100還可以包括電感器122，其可以連接在直流電流源120和磁性多層膜結(jié)構(gòu)110之間以起到阻抗匹配的作用。在直流電流的激勵下，磁性多層膜結(jié)構(gòu)110可以產(chǎn)生超高頻微波振蕩信號。由于磁性多層膜結(jié)構(gòu)110產(chǎn)生的微波振蕩信號的輸出功率一般較低，例如在微瓦量級，自旋微波振蕩器100還可以包括放大器130以對所產(chǎn)生的微波振蕩信號進行放大。電容器132可以連接在磁性多層膜結(jié)構(gòu)110和放大器130之間以濾除直流信號，而僅交變信號(即，微波振蕩信號)被饋送到放大器130以進行放大。

圖2示出根據(jù)本發(fā)明一實施例的磁性多層膜結(jié)構(gòu)200，其可以用于圖1所示的自旋微波振蕩器100中的磁性多層膜結(jié)構(gòu)110。如圖2所示，磁性多層膜結(jié)構(gòu)200可包括依次沉積在襯底210上的第一電極層202、間隔層204、反鐵磁進動層206以及第二電極層208。應理解的是，圖2僅是示意圖，各個層可能不是按比例繪制的。

襯底201可以是例如絕緣襯底，其可以由諸如SiO₂、MgO、Al₂O₃、SrTiO₃、LaAlO₃之類的絕緣體形成，或者可以是覆蓋有絕緣層的半導體襯底，例如Si/SiO₂襯底等。本領域技術人員可以理解的是，襯底201的材料不限于此，而是可以選用本領域常用的那些襯底材料，此處不再贅述。

第一電極層202和第二電極層208可以由具有良好導電性的金屬制成?？捎糜谛纬傻谝浑姌O層202和第二電極層208的導電金屬的示例包括但不限于Cu、Ag、Au、Ta、Ru、Al以及它們的合金等。此外，第一電極層202還可以用作緩沖層，從而為在其上沉積間隔層204提供晶格匹配的平面。第一電極層202的材料還可以根據(jù)在其上沉積的間隔層204的晶格常數(shù)來進行選擇。第二電極層208還可以用作保護層，以防止其下的層受到濕汽和氧氣等的侵蝕。就耐侵蝕而言，Ta和Ru是優(yōu)選的。第一電極層202和第二電極層208的厚度并無特殊限制，一般可以在1nm至1mm的范圍，優(yōu)選為在10nm至100nm的范圍。

間隔層204形成在第一電極層202上，并且第一電極層202與反鐵磁進動層206分隔開。間隔層204可以是導電層，優(yōu)選為非磁導電層，諸如常用于巨磁電阻(GMR)自旋閥結(jié)構(gòu)的那些，或者是絕緣層，優(yōu)選為非磁絕緣層，諸如常用于TMR隧道結(jié)結(jié)構(gòu)的那些。非磁導電層的示例包括但不限于Ru、Cu、Ag、Au、Pt、Cr、Al、Zn、Pd、Zr、Ti、Sc等，或者它們的混合物。非磁絕緣層的示例包括但不限于Al₂O₃、AlN、MgO、Ta₂O₅、HfO₂等。為了產(chǎn)生微波振蕩信號，間隔層204的厚度應足夠薄，一般小于50nm，優(yōu)選小于20nm。對于非磁導電層，其厚度優(yōu)選為在0.5-10nm的范圍；對于非磁絕緣層，其厚度優(yōu)選為在0.3-5nm的范圍。

反鐵磁進動層206形成在間隔層204上。不同于常規(guī)的自旋微波振蕩器，本發(fā)明的進動層由反鐵磁材料形成?？捎糜诜磋F磁進動層206的材料的示例包括但不限于MnO、NiO、CoO、IrMn、FeMn、PtMn、CrMn、PdMn、PdPtMn、CrPtMn、PdCrO₂、MnCO₃、MnF₂、FeF₂等。反鐵磁進動層206的厚度可以 在1-100nm的范圍，優(yōu)選地在1-50nm的范圍，更優(yōu)選地在2-15nm的范圍。

如前所述，反鐵磁材料一般具有高達THz級別的磁響應。例如，實驗表明NiO的共振頻率高達1.07THz。而且，當電流流過反鐵磁體時，同樣可以誘發(fā)自旋轉(zhuǎn)矩效應。由于反鐵磁體的凈磁矩為零，所以與鐵磁體相比，操作反鐵磁體的磁矩所需的電流要小得多。所以，能用更小的電流來實現(xiàn)基于反鐵磁體的自旋微波振蕩器。

繼續(xù)參照圖2，可以看出，與常規(guī)的GMR自旋閥結(jié)構(gòu)和TMR隧道結(jié)結(jié)構(gòu)均不同，間隔層204兩側(cè)并非都是磁層。在圖2所示的示例中，間隔層204的一個重要作用是調(diào)節(jié)電阻，從而使得輸出的振蕩信號足夠大。例如，當反鐵磁進動層206由金屬或合金制成時，間隔層204可以是絕緣勢壘層。如果間隔層204也是金屬層，那么多層結(jié)構(gòu)的電阻非常小，進動導致的電阻變化不明顯，進而輸出的振蕩信號小。相反，當反鐵磁進動層206本身由具有較大電阻的反鐵磁材料諸如MnO、NiO、CoO、PdCrO₂、MnCO₃、MnF₂、FeF₂等形成時，間隔層204可以由普通金屬形成，或者間隔層204可以被省略。

雖然圖2僅示出了一個間隔層204和一個反鐵磁進動層206，但是應理解，磁性多層膜結(jié)構(gòu)200可以包括多個間隔層204和多個反鐵磁進動層206的交替層疊結(jié)構(gòu)。

還應注意的是，本說明書中的空間相對關系術語，諸如“在...上”僅是相對而言的。例如，圖2示出了間隔層204在第一電極層202上，反鐵磁進動層206在間隔層204上。應理解，這也涵蓋間隔層204在反鐵磁進動層206上，第一電極層202在間隔層204上的情況。

圖3示出另一實施例的磁性多層膜結(jié)構(gòu)300，其可以用于圖1所示的自旋微波振蕩器100中的磁性多層膜結(jié)構(gòu)110。如圖3所示，磁性多層膜結(jié)構(gòu)300可包括依次沉積在襯底210上的第一電極層202、間隔層204、反鐵磁進動層206、鐵磁層302以及第二電極層208。在圖3中，與圖2類似的元件用相同的附圖標記指示，此處不再贅述。

如圖3所示，與圖2相比，圖3的磁性多層膜結(jié)構(gòu)300還包括設置在反鐵磁進動層206上的鐵磁層302。鐵磁層302可以由鐵磁材料形成，包括但不限于諸如Fe、Co、Ni、Pr、Nd、Sm、Gd、Te、Dy之類的金屬，諸如CoFe、CoFeB、CoFeSi、CoFeNi、CoFeAl、CoFeSiAl、CoFeNiAl、CoFeSiB、CoFeNiB、CoFeSiAl、CoFeNiAl、NdFeB、NiFe、GdY、MnGa、MnRuGa、MnAl、MnCr、 FePt、CoPt、CoCr、SmCo、FeCr、CoCrPt、FeCrPt、FeCoCr之類的合金，諸如Fe₃O₄、CrO₂、La_1-xSr_xMnO₃(0.16<x<1.0)、La_1-xCa_xMnO₃(0.18<x<0.5)、Pr_1-xSr_xMnO₃(0.3<x<1.0)、Co₂MnSi之類的半金屬材料，以及諸如Fe、Co、Ni、V或Mn摻雜的ZnO、TiO₂、HfO₂或SnO₂和Fe、Co、Ni、V或Mn摻雜的GaAs、InAs、GaN或ZnTe之類的磁性半導體材料。鐵磁層302可以由上述材料的單層形成，亦可以由疊層材料形成，例如(Co/Pt)_n、(Co/Pd)_n、(Co/Ni)_n，其中n可以是大于等于1的正整數(shù)。鐵磁層302的厚度可以在1-100nm之間，優(yōu)選在1-10nm之間。

在圖3的實施例中，反鐵磁進動層206和鐵磁層302均設置在間隔層204的一側(cè)，形成單電極GMR或TMR結(jié)構(gòu)。雖然圖3僅示出了一個反鐵磁進動層206和一個鐵磁層302，但是應理解，磁性多層膜結(jié)構(gòu)300可以包括多個反鐵磁進動層206和多個鐵磁層302的交替層疊結(jié)構(gòu)。

圖4示出另一實施例的磁性多層膜結(jié)構(gòu)400，其可以用于圖1所示的自旋微波振蕩器100中的磁性多層膜結(jié)構(gòu)110。如圖4所示，磁性多層膜結(jié)構(gòu)400可包括依次沉積在襯底210上的第一電極層202、鐵磁層402、間隔層204、反鐵磁進動層206以及第二電極層208。在圖4中，與圖2類似的元件用相同的附圖標記指示，此處不再贅述。

如圖4所示，鐵磁層402和反鐵磁進動層206分別設置在間隔層204兩側(cè)，形成GMR自旋閥結(jié)構(gòu)(當間隔層204為導電層時)或TMR隧道結(jié)結(jié)構(gòu)(當間隔層204為絕緣層時)。鐵磁層402的材料可以選自上述用于形成鐵磁層302的材料，此處不再贅述。鐵磁層402的厚度可以在1-100nm之間，優(yōu)選在1-10nm之間。

雖然圖4僅示出了一個鐵磁層402、間隔層204和反鐵磁進動層206的層疊結(jié)構(gòu)，但是應理解，磁性多層膜結(jié)構(gòu)400可以包括多個這樣的層疊結(jié)構(gòu)。

圖5示出另一實施例的磁性多層膜結(jié)構(gòu)500，其可以用于圖1所示的自旋微波振蕩器100中的磁性多層膜結(jié)構(gòu)110。如圖5所示，磁性多層膜結(jié)構(gòu)500可包括依次沉積在襯底210上的第一電極層202、第一鐵磁層402、間隔層204、反鐵磁進動層206、第二鐵磁層302以及第二電極層208。

可以看出，圖5所示的磁性多層膜結(jié)構(gòu)500類似于圖3所示的磁性多層膜結(jié)構(gòu)300和圖4所示的磁性多層膜結(jié)構(gòu)400，只是磁性多層膜結(jié)構(gòu)500包括磁性多層膜結(jié)構(gòu)300中的鐵磁層302和磁性多層膜結(jié)構(gòu)400中的鐵磁層 402二者。鑒于圖5所示的各個層在上面均已詳細描述，此處不再贅述。

此外，雖然圖5僅示出了一個反鐵磁進動層206和第二鐵磁層302，但是類似于圖3所示的實施例，磁性多層膜結(jié)構(gòu)500可以包括多個反鐵磁進動層206和多個第二鐵磁層302的交替層疊結(jié)構(gòu)。

圖6示出另一實施例的磁性多層膜結(jié)構(gòu)600，其可以用于圖1所示的自旋微波振蕩器100中的磁性多層膜結(jié)構(gòu)110。如圖6所示，磁性多層膜結(jié)構(gòu)600可包括依次沉積在襯底210上的第一電極層202、間隔層204、第一鐵磁層602、反鐵磁進動層206、第二鐵磁層302以及第二電極層208?？梢钥闯觯判远鄬幽そY(jié)構(gòu)600與圖3所示的磁性多層膜結(jié)構(gòu)300相比，結(jié)構(gòu)基本相同，只是在間隔層204與反鐵磁進動層206之間還設置了第一鐵磁層602。第一鐵磁層602的材料和厚度可以類似于結(jié)合圖3所描述的鐵磁層302，此處不再贅述。此外，類似于圖3所示的多層膜結(jié)構(gòu)300，磁性多層膜結(jié)構(gòu)600也可以包括多個反鐵磁進動層206和多個第二鐵磁層302的交替層疊結(jié)構(gòu)。

圖7示出另一實施例的磁性多層膜結(jié)構(gòu)700，其可以用于圖1所示的自旋微波振蕩器100中的磁性多層膜結(jié)構(gòu)110。如圖7所示，磁性多層膜結(jié)構(gòu)700可包括依次沉積在襯底210上的第一電極層702、第一鐵磁層704、第一反鐵磁進動層706、間隔層708、第二反鐵磁進動層710、第二鐵磁層712和第二電極層714。

磁性多層膜結(jié)構(gòu)700具有在間隔層708兩側(cè)均為反鐵磁層的結(jié)構(gòu)，因此可視為基于反鐵磁層的自旋閥或隧道結(jié)結(jié)構(gòu)。在一變型例中，第一鐵磁層704和第二鐵磁層712可被省略。

類似地，磁性多層膜結(jié)構(gòu)700也可以包括第一鐵磁層704和第一反鐵磁進動層706的多個重復層疊結(jié)構(gòu)，以及第二反鐵磁進動層710和第二鐵磁層712的多個重復層疊結(jié)構(gòu)。各個層地材料已經(jīng)在上面得到了詳細的描述，此處不再贅述。

上面描述了本發(fā)明的基于反鐵磁進動層的自旋微波振蕩器的各種實施例。如前所述，基于反鐵磁進動層的自旋微波振蕩器能產(chǎn)生超高頻率的輸出信號，輸出頻率可以在100GHz以上，甚至高達THz的級別。圖8示出圖2所示的多層膜結(jié)構(gòu)200的輸出信號的頻域特性。該多層膜結(jié)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)為Si/SiO₂襯底上依次沉積Cu(10nm)/MgO(1nm)/MnF₂(4nm)/Cu(4nm)/Ta(6nm)。如圖8所示，該結(jié)構(gòu)的振蕩輸出信號的頻率大約為247GHz，其遠高于傳統(tǒng) 的基于軟鐵磁進動層的自旋微波振蕩器。

雖然上面參照示范性實施例描述了本發(fā)明，但是本發(fā)明不限于此。本領域技術人員顯而易見的是，在不脫離本發(fā)明的范圍和思想的情況下，可以進行形式和細節(jié)上的各種變化和修改。本發(fā)明的范圍僅由所附權利要求及其等價物定義。