ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ НА МАГНИТОСТАТИЧЕСКИХ СПИНОВЫХ ВОЛНАХ
FUNCTIONAL ELEMENT ON MAGNETOSTATIC SPIN WAVES

Изобретение относится к устройствам СВЧ-электроники и может быть использовано при конструировании нано- и микроэлектронных элементов для обработки сигналов.
Описаны процессы переноса магнитного момента или спина электрическим током в структурах, содержащих магнитные материалы. Перенос спина может также осуществляться с помощью магнонов, или спиновых волн, в магнитных металлах и диэлектриках и использован для построения элементной базы приборов обработки и передачи и информации на основе магнитных микро- и наноструктур (см. Никитов С.А., Калябин Д.В. и др. «Магноника - новое направление спинтроники и спин-волновой электроники», УФН, т. 185, №10, 2015, с. 1099-1128).
Конструктивно устройства на магнитостатических волнах (МСВ) представляют собой немагнитную подложку из кристаллического материала, на поверхности которой нанесены одна или несколько пленок из ферромагнитного материала, входные и выходные микрополосковые преобразователи по числу решаемых устройством задач, а также источник внешнего магнитного поля для настройки.
Так, в патенте US 4782312, Chang, 01.11.1988, описан резонатор на МСВ, в котором резонансный объем образован в месте пересечения электродов преобразователей по обе стороны пленки. Побочные моды, возбуждаемые в резонаторе, предполагается подавлять с помощью канавок, расположенных в узловых точках стоячих волн, соответствующих этим модам, что технологически сложно.
В патенте US 5345204, Okada и др., 06.09.1994, описан резонатор МСВ, в котором на пленке ЖИГ выполнены концентрические кольцевые электроды, а преобразователи размещены взаимно перпендикулярно относительно центра кольцевых электродов. Недостатком указанных резонаторов является то, что добавление дополнительных элементов в структуру, таких как канавки и проводящие полоски, значительно повышает потери и снижает уровень выходного сигнала.
В изобретении (RU 2057384, Гречушкин К.В. и др., 27.03.1996), резонатор на МСВ содержит касательно намагниченную внешним магнитным полем прямоугольную ферритовую пластину и входной и выходной преобразователи в виде полосковых линий, расположенных в плоскости, параллельной поверхности прямоугольной ферритовой пластины по оси ее симметрии, перпендикулярной направлению внешнего магнитного поля. Ширина W полосковых линий и ширина В пластины выбраны из условия B/W=n/2, где n=2,3,4 … - номер пространственной моды колебаний. Однако в такой схеме обязательно будут возбуждаться побочные моды и, как следствие, в выходном сигнале - присутствовать побочные частоты.
Кроме того, вышеупомянутые устройства представляют собой объемные резонаторы магнитостатических спиновых волн, что предусматривает многократное прохождение спиновой волны по этим структурам, что, в свою очередь, приводит к большим потерям и дополнительному ослаблению выходного сигнала.
В патенте RU2390888, Тихонов, 27.05.2010, описан узкополосный резонансный магнитоакустический фильтр СВЧ на основе высокодобротных магнитоакустических резонансов, возбуждаемых в слоистой структуре: ферритовая пленка - подложка - ферритовая пленка. Для обеспечения режима одночастотной фильтрации первая и вторая ферритовые пленки в виде резонаторов расположены на противоположных сторонах немагнитной подложки, входной и выходной преобразователи МСВ расположены соосно с ферритовыми пленками и под углом 90° друг к другу. Недостатками данного устройства являются ограниченность рабочего диапазона частот, поскольку необходимо возбудить лишь одну акустическую моду, а расширение рабочей области частот приведет к возбуждению побочных акустических мод, а кроме того, неперестраиваемость по внешнему полю (условие реализации пространственного резонанса определяется только геометрическими и упругими свойствами немагнитной подложки).
Использование прямых объемных МСВ позволяет осуществить изотропное распространение возбуждений в ограниченных периодических магнитных структурах, состоящих из небольшого числа магнитных микро - и нановключений в ферромагнитную пленку (матрицу) микронной толщины. Структуры могут обладать, вследствие так называемого пространственно-группового резонанса, собственными модами спиновых волн с высокой добротностью (см. Yuri Barabanenkov et al. Spin-wave bound modes in a circular array of magnetic inclusions embedded into a metalized ferromagnetic thin-film matrix, PHYSICAL REVIEW B91, 214419 (2015)).
Наиболее близким к патентуемому является элемент на магнитостатических волнах (WO 2014052913 A1, Northeastern University, Apr 3, 2014 - прототип). Невзаимный перестраиваемый полосовой фильтр на поверхностных магнитостатических спиновых волнах содержит подложку, две параллельные микрополосковые линии, ферритовую пленку, содержащую две противоположные параллельные грани и расположенную поверх микрополосковых преобразователей так, что параллельные грани ферритовой пленки образуют ненулевой угол с микрополосками. Благодаря такой конструкции отраженная от боковых граней ферритовой пленки поверхностная волна преобразуется в обратную объемную, не образуя стоячую волну, и, следовательно, не попадает в выходной сигнал. Таким образом, осуществляется невзаимная фильтрация спиновых волн в однопроходном режиме, что позволяет подавить побочные моды, образующиеся из-за пространственного резонанса во взаимных фильтрах, но вносит значительные потери.
Настоящее изобретение направлено на расширение функциональных возможностей использования при расширении рабочего диапазона частот и снижении вносимых потерь.
Патентуемый элемент на МСВ содержит ферромагнитную пленку, размещенную на подложке, микрополосковые преобразователи для возбуждения и приема МСВ в базовой ферромагнитной пленке, размещенные по краям пленки, а также внешний источник магнитного поля.
Отличия состоят в том, что элемент имеет две пары микрополосковых преобразователей, которые образуют два параллельных линейных канала распространения МС, разнесенных друг от друга на расстояние, обеспечивающее размещение между указанными каналами резонатора МС, взаимодействующего с линейными каналами.
Каждый линейный канал распространения МС выполнен в виде системы одиночных цилиндрических включений из ферромагнитного материала, образованных в базовой ферромагнитной пленке и расположенных равномерно по длине канала.
Резонатор МС представляет собой систему одиночных цилиндрических включений из ферромагнитного материала, образованных в базовой ферромагнитной пленке и расположенных равномерно по окружности, причем включения из ферромагнитного материала имеют большую намагниченность, чем базовая ферромагнитная пленка.
Элемент может характеризоваться тем, что источник магнитного поля выполнен регулируемым в диапазоне напряженностей Н=2-10 кЭ, а также тем, что намагниченности базовой ферромагнитной пленки и ферромагнитного материала включений лежат в диапазоне 1,5-1,7 кЭ.
Толщина d базовой ферромагнитной пленки может составлять d=0,1-10 мкм.
L
L
L
Элемент может характеризоваться и тем, что радиус Rцилиндрических включений для линейного канала составляет R=(0,6-1)d, а сами цилиндрические включения размещены друг от друга на расстоянии w=(2-10) R, где w - расстояние между центрами включений.
R
R
R
Элемент может характеризоваться также тем, что радиус Rцилиндрических включений резонатора, расположенных по окружности, составляет R=(0,5-3)d, а сами цилиндрические включения размещены друг от друга на расстоянии s=(2-5)R, где s - расстояние между центрами включений.
Технический результат - возможность реализации функций фильтра и резонатора, а также их совместного использования при обеспечении пониженных вносимых потерь в диапазоне частот нескольких ГГц. Это достигается благодаря тому, что рабочий диапазон единиц-десятков ГГц расположен вблизи частот локальных резонансов ферромагнитных включений и, как следствие, обеспечивает высокую локализацию мод вблизи включений и малые радиационные потери при передаче возбуждения вдоль системы из включений.
Существо изобретения поясняется на чертежах, где:
фиг. 1 - конструкция структуры элемента;
фиг. 2 - разрез структуры по линии А-А;
фиг. 3 - разрез структуры по линии Б-Б;
фиг. 4 - структура элемента, вид сверху;
фиг. 5 - график частотной зависимости показателя экспоненциального затухания сигнала в линейном канале;
фиг. 6 - график частотной зависимости отношения амплитуды спиновой волны в резонаторе к амплитуде возбуждающей спиновой волны.
Патентуемый элемент на МСВ (см. фиг. 1-4) содержит размещенную на подложке 10 базовую ферромагнитную пленку 12, микрополосковые преобразователи 21, 22, 23, 24 для возбуждения и приема МСВ в базовой ферромагнитной пленке 12, размещенные по краям пленки. Внешний источник магнитного поля (не показан) выполнен регулируемым в диапазоне напряженностей Н=2-10 кЭ. Вектор Н напряженности магнитного поля (обозначен на фиг. 1, слева) направлен по нормали к плоскости подложки 10 с образованной на ее поверхности структурой и совпадает с направлением Z тройки векторов; направление X совпадает с продольной, направление Y - с поперечной осями подложки.
Выполнены две пары микрополосковых преобразователей 21, 22 и 23, 24, которые образуют два параллельных линейных канала 30 и 31 распространения МСВ, разнесенных друг от друга на расстояние G. Это расстояние должно обеспечивать размещение резонатора 40 МСВ между указанными каналами 30 и 31, причем МСВ в каналах 30 и 31 и резонаторе 40 должны взаимодействовать между собой. Расстояние G может быть определено предварительными исследованиями.
Каждый линейный канал 30, 31 распространения МСВ выполнен в виде системы одиночных цилиндрических включений 32 из ферромагнитного материала, образованных в базовой ферромагнитной пленке 12 и расположенных равномерно по длине канала 30, 31.
Резонатор 40 МСВ представляет собой систему одиночных цилиндрических включений 41 из ферромагнитного материала, образованных в базовой ферромагнитной пленке 12 и расположенных равномерно по окружности 42.
Цилиндрические включения 32 и 41 линейных каналов 30 и 31 выполняются из ферромагнитных материалов, и их особенность состоит в том, что они имеют большую намагниченность, чем базовая ферромагнитная пленка, при этом сами значения намагниченности как базовой ферромагнитной пленки, так и ферромагнитного материала включений лежат в диапазоне 1,5-1,7 кЭ.
Толщина d базовой ферромагнитной пленки выбирается в диапазоне 0,1-10 мкм, а сама пленка 12 представляет собой железо-иттриевый гранат, выращенный на диэлектрической подложке из гадолиний-галлиевого граната.
L
L
L
Радиус R цилиндрических включений 32 для линейного канала 30 (31) составляет R=(0,6-1)d, а сами цилиндрические включения размещены друг от друга на расстоянии w=(2-10)R, где w - расстояние между центрами включений.
R
R
R
Радиус R цилиндрических включений 41 резонатора 40, расположенных по окружности 42, составляет R=(0.5-3)d, а сами цилиндрические включения 41 размещены друг от друга на расстоянии s=(2-5)R, где s - расстояние между центрами включений.
Общее число включений 32 и 41 может составлять от нескольких единиц до десятков штук и определяется технологическими возможностями, желаемыми характеристиками элементов и желаемой длиной линейного канала. Выбор расстояния s определяется технологическими возможностями и желаемыми характеристиками элементов исходя из выбора частоты, на которой необходимо наименьшее затухание сигнала в линейном канале.
Результаты моделирования приведены на фиг. 5, 6.
-kj
L
На фиг. 5 показана частотная зависимость безразмерного показателя экспоненциального затухания сигнала в линейном канале k, описывающего экспоненциальное затухание вида e амплитуды сигнала на j-м включении в линейном канале. Результаты моделирования распространения сигнала в линейном канале приведены для линейного канала с параметрами d=10 мкм, R=8 мкм, S=24 мкм, Н=4 кЭ, намагниченность насыщения пленки 1600Э, намагниченность насыщения материала включений 1740Э. Видно, что линейный канал имеет выделенную частоту, на которой затухание сигнала на включениях резко уменьшается по сравнению с другими частотами.
r
На фиг. 6 представлена частотная зависимость отношения В/А амплитуды спиновой волны в резонаторе В к амплитуде, возбуждающей резонатор спиновой волны А. Моделирование выполнено для возбуждения резонатора плоской прямой объемной спиновой волной и параметров резонатора: d=10 мкм, R=18 мкм, W=46 мкм, Н=5 кЭ, намагниченность насыщения пленки 1600Э, намагниченность насыщения материала включений 1740Э. Видно, что резонатор имеет резонансную частоту, на которой происходит возбуждение спиновой волны внутри резонатора падающей спиновой волной.
Из приведенных результатов моделирования следует, что частоты функционирования патентуемого элемента определяются значением внешнего магнитного поля, материалами пленки и включений, геометрическими параметрами линейного канала и резонатора и могут быть реализованы в диапазоне десятков ГГц. Рабочий диапазон частот расположен вблизи частот локальных резонансов ферромагнитных включений и, как следствие, обеспечивается высокую локализацию мод вблизи включений и малые радиационные потери при передаче возбуждения вдоль системы из включений.
Топология размещения включений позволяет элементу функционировать как в режиме фильтра, так и в режиме разветвителя выходного сигнала для резонансной частоты. Так, на резонансной частоте резонатора 40, выполненного из четырех включений 41, волна, возбуждаемая входным преобразователем 21 канала 30, захватывается и распространяется вдоль линейной цепочки включений 32 к выходным преобразователям 23 и 24. Сигнал на выходных преобразователях 23 и 24 будет появляться одновременно, если частота на входном преобразователе 21 совпадает с частотой резонатора 40, а преобразователь 22 может использоваться для формирования опорного сигнала. Кроме того, каждый из каналов 30, 31 может выполнять функции независимых линий задержки.
Для подбора рабочей области частот достаточно изменить насыщающее магнитное поле.
Таким образом, представленные материалы подтверждают достижение технического результата - расширение функциональных возможностей элемента на МСВ при обеспечении пониженных вносимых потерь в диапазоне частот несколько ГГц.