ВЫПРЯМИТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С НЕКОЛЛИНЕАРНОЙ НАМАГНИЧЕННОСТЬЮ
AC RECTIFIER WITH NON-COLLINEAR MAGNETIZATION

Изобретение относится к области спинтроники, а именно, к широкополосным выпрямителям переменного тока, выполненным на основе спинового диода в виде гетероструктуры с туннельным магнитным переходом.
S
S
Из уровня техники  известен спиновый диод на базе гетероструктуры, содержащей последовательно расположенные первый ферромагнитный слой с намагниченностью, лежащей в его плоскости, туннельный немагнитный слой и второй ферромагнитный слой с намагниченностью, неколлинеарной намагниченности первого ферромагнитного слоя и расположенной под углом к вертикальной оси гетероструктуры, который может быть использован для выпрямления переменного тока (см. патент US8860159, кл. H01L29/82, опубл. 14.10.2014). Выпрямление в таком диоде реализуется за счет высокоамплитудной внеплоскостной прецессии намагниченности. Недостатками известного устройства является сложность практической реализации, поскольку для достижения упомянутой внеплоскостной прецессии намагниченности требуется либо наличие перпендикулярного плоскости диода магнитного поля, либо наличие перпендикулярной магнитной анизотропии в свободном слое. Причем величины таких перпендикулярного поля или анизотропии должны подбираться так, чтобы они были сопоставимы с полем размагничивания свободного ферромагнитного слоя. В результате в случае реализации внеплоскостной прецессии намагниченности за счет перпендикулярного поля требуется использовать поля с напряженностью порядка 4πM, где M – намагниченность насыщения свободного слоя, что для типичных ферромагнетиков можно оценить более чем в 1 Тл. Практическая сложность получения таких больших полей ограничивает возможность применения упомянутого выпрямителя. Для случая же достижения внеплоскостной прецессии намагниченности за счет перпендикулярной магнитной анизотропии в свободном слое требуется очень точный контроль толщины свободного слоя (с точностью превосходящей 0.1 нм), а также условий производства диода (температура и время отжига и т.п.). В результате существенно возрастает сложность и стоимость производства подобного устройства.
rl
fl
rl
rl
fl
Технической проблемой является устранение указанных недостатков. Технический результат заключается в упрощении изготовления выпрямителя. Поставленная проблема решается, а технический результат достигается тем, что в выпрямителе переменного тока на базе гетероструктуры, содержащей последовательно расположенные первый ферромагнитный слой с намагниченностью m, туннельный немагнитный слой и второй ферромагнитный слой с намагниченностью m, неколлинеарной намагниченности m, гетероструктура выполнена таким образом, что указанные векторы намагниченности лежат в плоскости соответствующих слоёв, а выпрямление реализуется в нерезонансном режиме. Указанные векторы намагниченности m и m предпочтительно образуют угол не менее 5° и не более 175°, а соответствующая ширина полосы выпрямления составляет не менее 0.5 ГГц. По меньшей мере, один из ферромагнитных слоёв может выполнен составным из нескольких подслоёв различных ферромагнитных материалов. Намагниченность, по меньшей мере, одного из ферромагнитных слоёв может быть зафиксирована за счет обменного взаимодействия со слоем антиферромагнетика или ферромагнетика, за счёт магнитостатического взаимодействия с, по меньшей мере, одним дополнительным ферромагнитным слоем, посредством установки внешнего источника магнитного поля, путём формирования магнитной анизотропии в плоскости указанного слоя и/или путём формирования геометрической анизотропии указанного слоя.
fl
rl
На фиг.1 схематически представлено взаимное расположение векторов намагниченности m и m на виде сверху;
на фиг.2, 3 - структура слоёв предлагаемого устройства в нескольких возможных реализациях (стрелками изображены намагниченности соответствующих слоёв);
на фиг.4 - характерный график зависимости величины выпрямленного напряжения от частоты исходного переменного тока.
В простейшем варианте (фиг.2) предлагаемый выпрямитель представляет собой гетероструктуру, образованную следующими последовательно расположенными слоями:
1 - подложка,
2 - нижний электрод, включающий в себя дополнительные технические слои (на чертежах не показаны);
3 - фиксирующий слой;
rl
4 - первый ферромагнитный слой с намагниченностью m;
5 - туннельный немагнитный слой;
fl
6 - второй ферромагнитный слой с намагниченностью m;
7 - верхний электрод, включающий в себя дополнительные технические слои (на чертежах не показаны).
rl
Фиксирующий слой 3 за счет обменного и/или магнитостатического взаимодействия фиксирует намагниченность m первого ферромагнитного слоя 4 и может быть полностью выполнен из одного антиферромагнетика (фиг.2), например, PtMn и IrMn с различной пропорцией между элементами. В другом варианте данный слой может состоять из нескольких подслоев (фиг.3): антиферромагнитного подслоя 8 из PtMn или IrMn с различной пропорцией между элементами, ферромагнитного подслоя 9 из CoFe или CoFeB с различной пропорцией между элементами и рутениевого (Ru) подслоя 10.
Если слой 3 отсутствует, то фиксация намагниченности слоя 4 может быть достигнута за счёт магнитостатического взаимодействия с, по меньшей мере, одним дополнительным ферромагнитным слоем, посредством установки внешнего источника магнитного поля, путём формирования магнитной анизотропии в плоскости указанного слоя и/или путём формирования геометрической анизотропии указанного слоя (например, гетероструктура может иметь не круглую, а эллиптическую форму слоев).
Туннельный немагнитный слой 5 традиционно изготавливают из оксида магния (MgO), однако допускается также изготовление этого слоя из оксида алюминия.
Первый 4 и второй 6 ферромагнитные слои могут быть выполнен из типичных ферромагнетиков, таких как NiFe, CoFe и CoFeB, при этом пропорция между элементами в упомянутых сплавах может быть различной. Фиксация намагниченности в слое 6 как правило может быть достигнута за счет формирования геометрической анизотропии указанного слоя (например структура может иметь не круглую, а эллиптическую форму слоев). В общем случае фиксация намагниченности в слое 6 также может быть достигнута за счёт магнитостатического взаимодействия с, по меньшей мере, одним дополнительным ферромагнитным слоем, посредством установки внешнего источника магнитного поля и/или путём формирования магнитной анизотропии в плоскости указанного слоя. Слой 6 может быть выполнен составным из нескольких подслоев 11 и 12 различных ферромагнитных материалов (фиг.3). В общем случае слой 4 также может быть выполнен составным из нескольких подслоев различных ферромагнитных материалов.
rl
fl
Векторы намагниченности m и m неколлинеарны (предпочтительно образуют угол не менее 5° и не более 175°) и лежат в плоскости соответствующих слоёв 4 и 6. В таких условиях за счёт наличия ненулевого угла между намагниченностями слоёв 4 и 6 всегда существует действующий на намагниченность ненулевой вращающий момент, создаваемый эффектом переноса спина, что приводит к реализации нерезонансного режим работы диода с соответствующей шириной полосы выпрямления не менее 0.5 ГГц.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. Электроды 2 и 7 подключают к источнику переменного тока, например к принимающей антенне, напрямую или через цепь согласования. При этом сигнал, который принимает антенна, может как излучаться специальным передатчиком, так и быть фоновым техногенным радиочастотным сигналом (Wi-Fi, GSM и т.п.).  При прохождении переменного тока через рассматриваемый диод сопротивление диода начинает колебаться на частоте переменного тока. В результате на выходе выпрямителя на основе спинового диода появляется постоянная компонента напряжения. Полученное постоянное напряжение может быть использовано сразу для питания датчиков и прочих маломощных устройств или же для зарядки конденсаторов или аккумуляторных батарей, которые в дальнейшем будут использованы для питания. Стоит отметить, что для выпрямления сигнала возможно одновременное использование нескольких, подключенных параллельно и/или последовательно, спиновых диодов.
Благодаря использования ферромагнитных слоев, намагниченных в плоскости, снимаются высокие производственные требования на перпендикулярное поле и анизотропию, что значительно упрощает изготовление спинового диода. При этом за счет наличия угла между намагниченностями в плоскости предлагаемая система демонстрирует широкополосное выпрямление.