ФИЛЬТР НА ОСНОВЕ 3D-МАГНОННОЙ СТРУКТУРЫ

Полезная модель относится к радиотехнике СВЧ, в частности к приборам на магнитостатических волнах, и может быть использована в качестве фильтра магнитостатических волн.
Известны функциональные СВЧ-устройства различного назначения, использующие магнонные кристаллы в качестве среды для распространения МСВ (С.А. Никитов, Ю.А. Филимонов, С.Л. Высоцкий, Е.С. Павлов, Н.Н. Новицкий, А.И. Стогний. “Физические основы фильтрации СВЧ сигналов с использованием магнонных кристаллов”. // Сборник научных трудов “Гетеромагнитная микроэлектроника”. - 2008. - В. 5. - С. 78-86. Магнонные кристаллы представляют собой пленки ЖИГ с вытравленными поверхностными структурами в виде пазов, ось которых перпендикулярна направлению распространения МСВ. Пленка ЖИГ размещается между входным и выходным микрополосковыми преобразователями СВЧ.
Однако, в данных функциональных СВЧ-устройствах, использующих одномерные и двумерные магнонные кристаллы, волноведущие структуры для МСВ являются планарными, что не позволяет повышать плотность размещения функциональных элементов путем соединения их в многослойные структуры. Технология выполнения периодических наноструктур в целом известна и описана в применении к среде для магнитной записи (см., например, US 6351339, RU 2391717).
Известно устройство на основе магнонного кристалла, используемый для управления частотой спиновых волн (WO 2009145579, МПК H03H2/00, опуб. 03.12.2009). Устройство состоит из волновода на основе тонкой магнитной пленки. Волновод имеет три секции, одна из которых представляет собой периодическую структуру - магнонный кристалл, образованный путем периодического изменения ширины либо толщины ферромагнитной пленки.
Недостатком данного устройства является отсутствие возможности управления свойствами спектра спиновых волн путем изменения управляющих параметров.
Наиболее близким к заявляемому устройству является спин-волновой переключатель (RU2697724, МПК HO1P5/18, 19.08.2019), который содержит немагнитную подложку, размещенную на ней ферромагнитную пленку из железо иттриевого граната (ЖИГ), микрополосковые преобразователи для возбуждения и приема магнитостатических спиновых волн (МСВ) в пленке ЖИГ, источник магнитного поля. На поверхности подложки, прилежащей к пленке ЖИГ, образована структура в форме
меандра из пазов, продольная ось которых перпендикулярна направлению распространения МСВ.
Недостатком данного устройства является отсутствие возможности управления количеством пиков ферромагнитного резонанса (ФМР).
Технической проблемой является создание фильтра, обеспечивающего управление количеством пиков ФМР.
Техническим результатом является расширение функциональных возможностей фильтра.
Технический результат достигается тем, что фильтр на основе многослойной периодической ЗD-магнонной структуры, содержащий немагнитную органическую подложку в форме меандра, продольная ось пазов которого перпендикулярна направлению распространения магнитостатических спиновых волн (МСВ), размещенную на ней ферромагнитную пленку, микрополосковые преобразователи для возбуждения и приема МСВ в пленке, источник магнитного поля, фильтр выполнен с возможностью изменения ориентации продольной оси пазов параллельно направлению распространения МСВ, при этом пленка выполнена из пермаллоя.
Для изменения ориентации фильтр может быть снабжен приводом или источник магнитного поля может быть выполнен с возможностью управления, как величиной, так и направлением внешнего магнитного поля.
Подложка может быть выполнена из поликарбоната.
Пермаллой - это композитная структура, состоящая из 20% атомов железа (Fe) и 80 % атомов никеля (Ni).
Полезная модель поясняется чертежами, где:
фиг. 1 - сегмент периодической ЗD-магнонной структуры в поперечном сечении;
фиг. 2 - зависимость интенсивности от внешнего магнитного поля;
фиг. 3 - угловая зависимость ФМР от величины внешнего магнитного поля.
Позициями на чертеже обозначены:
1 - сегмент периодической структуры;
2 - пленка из пермаллоя;
3 - паз меандра;
4 - выступ меандра;
5 - органическая подложка - поликарбонат;
6 - зависимость интенсивности при направлении внешнего магнитного поля вдоль
оси Z;
7 - зависимость интенсивности при направлении внешнего магнитного поля по оси X;
8 - группа низкополевых пиков отклика ФМР;
9 - группа высокополевых пиков отклика ФМР.
Фильтр содержит 3d-магнонную структуру в виде меандра, имеющего пазы 3 и выступы 4. Каждый сегмент структуры состоит из немагнитной подложки 5 из органического материала с размещенной на ней ферромагнитной пленкой 2 из пермаллоя (фиг. 1). Пленка 2 повторяет контур паза 3 и выступов 4. Фильтр содержит микрополосковые преобразователи для возбуждения и приема МСВ в пленке и источник магнитного поля (на фигуре не показаны).
Общие размеры структуры: длина p = 755 нм, толщина пленки пермаллоя h = 50 нм, толщина структуры w = 170 нм.  Глубина паза k = 120 нм. Длина выступа m = 235 нм. Длина горизонтальной части паза n=285 нм.
У данной пленки пермаллоя величина намагниченности насыщения составляет M=830 Гс, атолщина пленки - 50 нм.
Данный фильтр функционирует следующим образом: структура помещается во внешнее магнитное поле, приложенное в плоскости магнонной структуры XZ. На входной микрополосковый преобразователь, расположенный на поверхности пленки 2, подается СВЧ сигнал с фиксированной частотой 9.7 ГГц. Управляя величиной и направлением внешнего магнитного поля вдоль плоскости XZ проводится измерение отклика ферромагнитного резонанса (ФМР). В результате получается характеристика с максимумами - прохождение сигнала и минимумами - непропускание сигнала. Предлагаемый фильтр может работать при другой выбранной фиксированной частоте, при этом зависимости ФМР будут перестраиваться от частоты.
На фиг. 2 представлена зависимость интенсивности от внешнего магнитного поля. Кривая 6 соответствует случаю, когда внешнее поле направлено вдоль оси Z (вдоль пазов), наблюдается один пик ФМР. На пунктирной кривой 7 наблюдается 4 пика ФМР, это соответствует случаю, когда поле направлено по оси X (поперек пазов). Происходит смещение высокополевого пика в область высших полей и появление пиков в области низких полей. Данные характеристики можно связать с тем, что вертикальные и горизонтальные части меандра вносят разные вклады в ФМР.
На фиг. 3 представлена угловая зависимость ФМР от величины внешнего магнитного поля. Наблюдается расщепление пиков в диапазоне угла поворота внешнего магнитного поля 10 - 170 градусов на высокополевые (0.13-0,15 T) и низкополевые (0.05-0.13 Т). При изменении угла происходят изменения свойств плёнки.
Фильтр прост в изготовлении, так как пленка из пермаллоя имеет органический характер, что обуславливает простой способ изготовления структур. При этом изменяя направление внешнего магнитного поля, можно получить разный вклад ФМР. При направлении поля вдоль пазов получаем один пик ФМР с более высокой интенсивностью, в отличие от случая, когда поле направлено вдоль оси Х (поперёк пазов), существует возможность получать несколько пиков ФМР.
Намагниченность насыщения пленок пермаллоя составляла М=800 Гс.
Источник управляющего внешнего магнитного поля выполнен с возможностью изменения величины и полярности магнитного поля. Можно также изменять положение структуры относительно магнитного поля, вращая ее с помощью привода.
Таким образом, при изменении угла направления внешнего магнитного поля происходит изменение свойств плёнки и при увеличении угла происходит расщепление пика на высокополевой и низкополевой пики. Это позволяет управлять свойствами распространяющихся спиновых волн в данной структуре.