[发明专利]基于自旋霍尔效应的磁性元件、微波振荡器及其制法

说明书

技术领域

本发明特别涉及一种基于自旋霍尔效应的磁性元件、微波振荡器及其制法，属于微波振荡器技术领域。

背景技术

微波振荡器是一种将直流信号转化为具有一定频率交流信号的电子元件，在电子工业、医疗、科学研究等方面具有广泛应用。近年来，随着移动通信和卫星通信的迅速发展，对振荡器件小型化、集成化的要求越来越迫切。同时，移动通讯也向高频化和宽频化发展，目前商用的振荡器主要有LC振荡器、晶体振荡器等。商用LC振荡器的电路设计灵活，成本较低，易做到正弦波输出和可调频率输出。但是这种振荡器的体积大（微米量级）、频率较低（如GPS:1.6GHz；GSM:850MHz；WCDMA:2GHz）、并且频率调节范围小（<20%），随着温度和时间的变化，信号易发生漂移。另一种常用的石英晶体振荡器虽然输出频率精度较高，但是频率单一不能调节，故不能简单用于可变调谐电路。而且除了压控晶体振荡器（VCXO）的频率（≤800MHz）相对较高外，其他类型的晶体振荡器最高输出频率不超过200MHz。另外在GPS等通信系统中需要极低的噪音，即对输出频率的相位噪音要求极高。因此，寻找具有良好的高频特性、宽频可调、低噪音以及易小型化和集成化的新型材料和器件是目前研究开发的一个重要目标。

目前，利用电子自旋而不是电子电荷来构建振荡器时，有望解决上述挑战。在由磁性膜(FM1)/非磁性膜（NM）/磁性膜（FM2）构成的三明治结构中，基于巨磁电阻效应和自旋转移矩原理，被FM1自旋极化的电子穿过NM层，可以对磁性薄膜FM2内的磁矩产生一个力矩的作用，当自旋转移力矩恰好能够补偿磁性材料中的阻尼矩时，磁矩产生稳态的进动，由于巨磁电阻效应，进而输出高频振荡的微波信号。基于这种自旋转移力矩原理产生微波振荡的器件称为自旋转移矩振荡器（spin torque oscillators）。在这种器件中，关键的部分是产生自旋极化的电子。一般为了产生自旋电子，常常采用将电子通过磁性材料使电子发生自旋极化。然而利用磁性材料产生的自旋极化电流，受到自旋极化效率的制约，在实现微波振荡的过程中，往往需要较高的电流密度，不仅增大了能耗，同时产生的热噪声影响输出微波信号质量，而且基于自旋极化电流的自旋微波振荡器，制备条件要求较高。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种基于自旋霍尔效应的磁性元件，以克服现有技术中的不足。

本发明的目的之二在于提供前述基于自旋霍尔效应的磁性元件在制备电子元件中的应用。

本发明的目的之三在于提供一种基于自旋霍尔效应的微波振荡器及其制备方法。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于自旋霍尔效应的磁性元件，包括：

能够诱导电子产生自旋流的非磁性金属膜层，

以及，形成在所述非磁性金属膜层上的、具有平衡磁化的磁性膜层。

作为较为优选的实施方案之一，所述非磁性金属膜层的厚度为1.0nm～6.0nm。

进一步的，所述非磁性金属膜层主要由能产生自旋霍尔效应的金属元素组成，所述金属元素可选自Ta、Pt、Pb、W、Hf、Ir、Ru、Au、Ag、Zr、Cu、Re、Os、Mn、Nb、Mo和V中的任意一种或两种以上的组合，且不限于此。

进一步的，所述磁性膜层包括主要由磁性材料构成的磁性单层膜或磁性多层膜。

作为较为优选的实施方案之一，所述磁性单层膜厚度为0.5nm～6.0nm。

作为较为优选的实施方案之一，所述磁性多层膜沿设定方向依次分布的第一磁性层、空间层和第二磁性层。

进一步的，所述第一磁性层和第二磁性层主要由磁性材料构成；

所述空间层主要由导体材料或绝缘体材料构成，其中，所述导体材料可选自非磁性金属、碳材料和有机导电材料中的一种或两种以上的组合，所述绝缘体材料可选自金属绝缘氧化物，金属绝缘氮化物、碲化物和硒化物中的一种或两种以上组合，且不限于此。

进一步的，所述磁性材料可选自3d过渡族金属或其合金、4f稀土金属或其合金、稀磁合金材料、半非金属磁性材料和钇铁石榴石中的任意一种或两种以上的组合，且不限于此。

其中，所述3d过渡族磁性金属或其合金可选自Fe、Co、Ni、CoFe、NiFe和CoFeB中的任意一种或两种以上的组合，且不限于此。

所述4f稀土金属或其合金可选自la、Sm、Nd、Tb、TbFe、TbFeCo和Sm₅Co中的任意一种或两种以上的组合，且不限于此。