Вихревой спиновый диод, а также приемник и детектор на его основе
VORTEX SPIN DIODE, AS WELL AS RECEIVER AND DETECTOR BASED THEREON

Настоящее изобретение относится к области беспроводной передачи энергии и информации, а также детектирования переменного сигнала и представляет собой приемник/детектор (выпрямляющий элемент) на основе вихревого спинового диода, работающего за счет эффекта переноса спина и туннельного/гигантского магнетосопротивления и представляющего из себя магнитную многослойную гетероструктуру, отличающийся вихревым распределением намагниченности в свободном слое. Данный приемник/детектор способен эффективно принимать передаваемую микроволновым передатчиком и собирать фоновую микроволновую энергию от беспроводных систем связи (Wi-Fi, GSM, LTE и прочее), которая может использоваться для питания устройств малой мощности, а также детектировать радиосигналы микроволнового частотного диапазона.
Предшествующий уровень техники
Существующий уровень технологий позволяет использовать множество внешних источников для выработки энергии. К таким источникам относятся, например, вибрации, тепло или электромагнитные волны. В последнее время привлекательным источником стали фоновые радиочастотные сигналы от беспроводных систем связи или сигналы, передаваемые специальными передатчиками (энергетическими роутерами), которые могут использоваться для зарядки устройств малой мощности. Вместе с тем существующие электромагнитные устройства для сбора микроволновой энергии обладают большими габаритами, а полупроводниковые устройства не позволяют получить требуемого уровня конверсии во всем диапазоне мощностей. Возможным решением данной проблемы является использование приемников, включающих в себя спиновый диод, который работает за счет эффектов переноса спина и туннельного магнетосопротивления.
Предлагаемый вихревой спиновый диод представляет из себя магнитный туннельный переход, в котором два ферромагнитных слоя разделены туннельной прослойкой. Первый ферромагнитный слой выполняет функцию поляризатора, а второй ферромагнитный слой является свободным и содержит магнитный вихрь. Подробнее туннельный переход описан, например, в патентном документе US 7598555B1.
Выпрямление переменного сигнала в данном документе осуществляется за счет спинового диодного эффекта. Данный эффект известен из уровня техники (см. Tulapurkar A. A. et al., Spin-torque diode effect in magnetic tunnel junctions // Nature 438, 7066, 339 (2005)) и заключается в возбуждении переменным током осцилляций намагниченности за счет эффекта переноса спина, что в свою очередь приводит к осцилляциям сопротивления за счет эффектов гигантского или туннельного магнетосопротивления, в результате чего в выходном напряжении спинового диода появляется постоянная компонента, т.е. происходит частичное выпрямление входного переменного сигнала.
Отличительной особенностью описанного в данном документе решения является наличие вихревого распределения намагниченности в свободном ферромагнитном слое спинового диода. Данное распределение намагниченности представляет из себя намагниченность, лежащую в плоскости и закрученную по или против часовой стрелки везде, кроме центра (ядра) магнитного вихря, в котором намагниченность выходит из плоскости вверх или вниз. При этом существуют геометрические размеры свободного слоя, при который вихревое распределение намагниченности является равновесным и образуется самопроизвольно (см. Metlov K. L., Guslienko K. Y., Stability of magnetic vortex in soft magnetic nano-sized circular cylinder // Journal of magnetism and magnetic materials 242, 1015-1017 (2002)).
Еще одним примером использование спиновых диодов является патентный документ US 8860159 (В2) (опубликован 14.10.2014). Устройство по данному документу работает в нерезонансном (широкополосном) режиме, что приводит к меньшей чувствительности. В отличие от этого, описанное в данном документе решение работает в резонансном (узкополосном) режиме, за счет уникальных особенностей динамки магнитного вихря в свободном слое. Также широко известными являются однородные спиновые диоды, в которых свободный слой намагничен однородно или квазиоднородно. В отличие от таких решений описанное в данном документе решение позволяет работать на меньших частотах (от сотен МГц до единиц ГГц) за счет использования особенностей резонансного возбуждения магнитного вихря.
При этом техническое решение по данному документу может работать как без тока смещения в режиме приема энергии, выпрямляя переменный микроволновой сигнал от специального передатчика или же фоновый микроволновой сигнал от беспроводных систем связи, так и с током смещения, который значительно повышает чувствительность, в режиме детектора сигнала на выделенной частоте.
Сущность изобретения
Технический результат настоящего изобретения заключается в создании приемника/детектора на основе вихревого спинового диода, имеющего резонанс эффективности выпрямления в области частот от сотен МГц до единиц ГГц и способного эффективно выпрямлять внешний сигнал в широком диапазоне мощностей (от нВт до Вт).
Технический результат достигается благодаря устройству вихревого спинового диода, работающего за счет эффекта переноса спина и туннельного/гигантского магнетосопротивления и представляющего собой магнитную туннельную гетероструктуру. Спиновый диод включает в себя 1) первый ферромагнитный слой, намагниченность которого фиксируется с помощью антиферромагнитного слоя или синтетического антиферромагнетика, 2) туннельную диэлектрическую или немагнитную металлическую прослойку и 3) второй ферромагнитный слой, намагниченность которого является свободной. При этом выпрямляющий элемент отличается тем, что второй ферромагнитный (свободный) слой содержит вихревое распределение намагниченности.
Отличительная черта данного приемника/детектора заключается в повышенной чувствительности на малых мощностях входного переменного сигнала (вплоть до нВт), а также в практически нулевом пороге возбуждения. В результате становится возможным сбор энергии из фонового радиочастотного спектра или от слабого передатчика для питания устройств с малым потреблением энергии (датчиков, микроконтроллеров, устройств памяти и т.д.), а также детектирование сверхслабых радиочастотных сигналов. Другой отличительной чертой является частотный диапазон эффективного выпрямления от сотен МГц до единиц ГГц, а также отсутствие необходимости во внешнем магнитном поле для работы предлагаемого вихревого спинового диода.
Осуществление изобретения
Устройство по настоящему изобретению представляет собой вихревой спиновый диод, выполненный в виде многослойного наностолбика с характерными толщинами слоев в доли - единицы нанометров и с характерными диаметрами десятки - сотни нанометров. Вихревой спиновый диод включает в себя два ферромагнитных слоя, разделенных немагнитной прослойкой (туннельной диэлектрической или металлической). Кроме того, он может включать также дополнительные побочные слои (например, слои, необходимые для подведения тока и интеграции с другими элементами, или побочные технологические слои). Первый ферромагнитный слой имеет фиксированную намагниченность, что достигается за счет использования антиферромагнитного слоя или синтетического ферромагнетика. Первый ферромагнитный слой выполняет функцию поляризатора тока. При этом направление его намагниченности может быть задано как в плоскости, так и под углом, имея при этом и перпендикулярную плоскости пленки компоненту. Выбор конкретного направления зависит от использования вихревого спинового диода в качестве детектора или приемника. Случай намагниченности первого слоя в плоскости соответствует наибольшей эффективности выпрямления сигналов без тока смещения, т.е. выгоден для приема передаваемой или фоновой радиочастотной энергии. При этом наличие перпендикулярной компоненты позволяет увеличивать чувствительность в режиме работы с током смещения, что выгодно для детектирования, но не может быть использовано для приема энергии. Второй ферромагнитный слой (свободный) изготовлен из магнитомягкого материала (с нулевой или близкой к нулю анизотропией) и имеет вихревое распределение намагниченности, которое является равновесным и образуется самопроизвольно для характерных размеров. Между первым и вторым ферромагнитными слоями находится немагнитная прослойка, которая может быть туннельной диэлектрической или металлической и которая обеспечивает туннельное/гигантское магнетосопротивление. При этом вместо использования первого ферромагнитного слоя (поляризатора), направленного под углом, можно использовать первый ферромагнитный слой (поляризатор), направленный в плоскости, вместе с дополнительным третьим ферромагнитным слоем, намагниченным перпендикулярно, находящимся с другой стороны от свободного слоя и разделенным со вторым слоем немагнитной прослойкой (туннельной (типа MgO) или металлической (типа Cu)). В данном варианте структура диода будем выглядеть следующим образом: первый ферромагнитный слой - немагнитная прослойка - второй ферромагнитный слой -немагнитная прослойка - третий ферромагнитный слой.
Устройство работает следующим образом. При попадании переменного тока на вихревой спиновый диод электроны проходят через первый ферромагнитный слой и поляризуются по спину, затем проходят через туннельную прослойку и переносят момент движения во второй ферромагнитный слой со свободной намагниченностью, создавая таким образом вращающий момент, действующий на намагниченность второго слоя. В этом слое возникают осцилляции намагниченности на частоте подаваемого сигнала, амплитуда которых резонансно возрастает при приближении частоты входного сигнала к собственной частоте колебаний магнитного вихря. Такие осцилляции намагниченности вызывают соответствующие осцилляции электрического сопротивления, создающие, таким образом, постоянную токовую компоненту, величина которой зависит от частоты внешнего сигнала (эффект выпрямления). Такая компонента может использоваться для питания маломощных устройств. При этом возможен режим, когда на вихревой спиновый диод также подается постоянный ток, понижающий диссипации в системе, в результате чего отклик намагниченности, а значит и выпрямление, значительно увеличивается. В данном режиме вихревой спиновый диод может работать, как высокочувствительный детектор.
Толщины слоев и диаметр вихревого спинового диода подбираются таким образом, чтобы обеспечить нужную рабочую частоту из возможного диапазона и максимальную чувствительность вихревого слоя к микроволновому сигналу.