Выпрямитель переменного тока на базе неоднородной гетероструктуры

Изобретение относится к области спинтроники, а именно: к широкополосным выпрямителям переменного тока, выполненным на основе спинового диода в виде гетероструктуры с туннельным магнитным переходом. Технический результат заявленного изобретения заключается в расширении частотной полосы выпрямления переменного тока. Технический результат достигается за счет того, что указанная гетероструктура содержит последовательно расположенные первый ферромагнитный слой, туннельный немагнитный слой и второй ферромагнитный слой. Средняя намагниченность первого и второго слоёв расположена в их плоскости. Гетероструктура выполнена таким образом, что намагниченность, по меньшей мере, одного ферромагнитного слоя неоднородна. При этом векторы локальной намагниченности первого m_rl и второго m_fl слоёв, по меньшей мере, в части гетероструктуры неколлинеарны, а выпрямление реализуется в нерезонансном режиме. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к области спинтроники, а именно, к широкополосным выпрямителям переменного тока, выполненным на основе спинового диода в виде гетероструктуры с туннельным магнитным переходом.

Из уровня техники известен спиновый диод на базе гетероструктуры, содержащей последовательно расположенные первый ферромагнитный слой, средняя намагниченность которого расположена в плоскости этого слоя, туннельный немагнитный слой и второй ферромагнитный слой, средняя намагниченность которого расположена в плоскости этого слоя (см. статья A. A. Tulapurkar et al., “Spin-Torque Diode Effect in Magnetic Tunnel Junctions.” Nature 438 (2005), 339). Упомянутый диод способен эффективно выпрямлять входной переменный ток с частотой, близкой к резонансной частоте диода. Также из уровня техники известен схожий спиновый диод с двумя свободными слоями (см. патент US2014362624, кл. H01L27/22, опубл. 11.12.2014). Недостатком известных устройств является возможность работы только в резонансном режиме, в результате чего эффективное выпрямление возможно только в узкой полосе частот вблизи резонансной частоты спинового диода, что снижает универсальность выпрямителя. При этом данная резонансная частота зависит от формы спинового диода и толщин его слоев, а также других параметров, которые всегда варьируются в некоторых пределах при производстве гетероструктур. В результате резонансные частоты известных из уровня техники спиновых диодов при производстве, как правило, будут отличаться на величины, превышающие ширину линии выпрямления, что делает упомянутые спиновые диоды слабо повторимой в промышленных масштабах технологией.

Технической проблемой является устранение указанных недостатков. Технический результат заключается в расширении полосы выпрямления. Поставленная проблема решается, а технический результат достигается тем, что в выпрямителе переменного тока на базе гетероструктуры, содержащей последовательно расположенные первый ферромагнитный слой, средняя намагниченность которого расположена в плоскости этого слоя, туннельный немагнитный слой и второй ферромагнитный слой, средняя намагниченность которого расположена в плоскости этого слоя, указанная гетероструктура выполнена таким образом, что намагниченность, по меньшей мере, одного ферромагнитного слоя неоднородна, и векторы локальной намагниченности первого m_rl и второго m_fl слоёв, по меньшей мере, в части гетероструктуры неколлинеарны, а выпрямление реализуется в нерезонансном режиме. Указанные локальные векторы намагниченности m_rl и m_fl предпочтительно образуют угол не менее 5° и не более 175°, по меньшей мере, в части гетероструктуры, а соответствующая ширина полосы выпрямления составляет не менее 0,5 ГГц. Величина средней намагниченности указанного неоднородного ферромагнитного слоя составляет не более 95% намагниченности насыщения этого слоя. Указанный неоднородный ферромагнитный слой может иметь C- и/или S-подобное распределение намагниченности. Намагниченность, по меньшей мере, одного из ферромагнитных слоёв 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 и/или путём формирования геометрической анизотропии указанного слоя.

На фиг.1-2 схематически представлено распределение локальных векторов намагниченности m_i указанного неоднородного ферромагнитного слоя (для первого ферромагнитного слоя i=rl, для второго i=fl) на виде сверху для случаев C- и S-подобного распределение намагниченности;

на фиг.3-4 – структура слоёв предлагаемого устройства в нескольких возможных реализациях (стрелками изображены средние намагниченности соответствующих слоёв);

на фиг.5 – характерный график зависимости величины выпрямленного напряжения от частоты исходного переменного тока.

В простейшем варианте (фиг.3) 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;

4 – первый ферромагнитный слой с однородным или неоднородным распределением намагниченности m_rl;

5 – туннельный немагнитный слой;

6 – второй ферромагнитный слой с неоднородным распределением намагниченности m_fl;

7 – верхний электрод, включающий в себя дополнительные технические слои (на чертежах не показаны).

Фиксирующий слой 3 за счет обменного и/или магнитостатического взаимодействия фиксирует намагниченность m_rl первого ферромагнитного слоя 4 и может быть полностью выполнен из одного антиферромагнетика (фиг.3), например, PtMn и IrMn с различной пропорцией между элементами. В другом варианте данный слой может состоять из нескольких подслоев (фиг.4): 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.4). В общем случае слой 4 также может быть выполнен составным из нескольких подслоев различных ферромагнитных материалов. Слой 6 имеет неоднородное распределение намагниченности, что обычно достигается за счет преимущественного использования NiFe, а также за счет увеличения его толщины (как правило, в несколько раз толще слоя 4). Слой 4 может иметь как однородное, так и неоднородное распределение намагниченности.

Указанные векторы локальные намагниченности m_fl и m_rl неколлинеарны (предпочтительно образуют угол не менее 5° и не более 175°) и лежат в плоскости соответствующих слоёв 4 и 6. Степень неоднородности намагниченности слоёв 4 и 6 должна соответствовать условию, что разница в направлении намагниченности, по меньшей мере, в части гетероструктуры составляет не менее 5° и не более 175°. На практике это может быть реализовано за счёт того, что величина средней намагниченности составляет не более 95% намагниченности насыщения соответствующего слоя, что приводит к формированию C- и/или S-подобного распределения или других неоднородных распределений намагниченности. В таких условиях за счёт наличия ненулевого угла между локальными намагниченностями слоёв 4 и 6, по меньшей мере, в части гетероструктуры, 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 широком диапазоне частот. 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 использованию ферромагнитных слоев, намагниченных неоднородно в плоскости, достигается ситуация, когда локальные намагниченности двух ферромагнитных слоев, по меньшей мере, в части гетероструктуры неколлинеарны, что приводит к реализации нерезонансного режим работы диода с соответствующей шириной полосы выпрямления не менее 0,5 ГГц. Данный результат увеличивает универсальность выпрямителя на спиновом диоде, т.к. позволяет использовать один спиновый диод для выпрямления сигнала широкого диапазона стандартов (Wi-Fi, GSM и т.п.) без подбора его резонансной частоты просто за счет расширения полосы выпрямления. Также снимается ограничение на промышленную воспроизводимость технологии, т.к. описанный спиновый диод, работающий в широкополосном режиме, малочувствителен к технологическим погрешностям при производстве.

1. Выпрямитель переменного тока на базе гетероструктуры, содержащей последовательно расположенные первый ферромагнитный слой, средняя намагниченность которого расположена в плоскости этого слоя, туннельный немагнитный слой и второй ферромагнитный слой, средняя намагниченность которого расположена в плоскости этого слоя, отличающийся тем, что гетероструктура выполнена таким образом, что намагниченность, по меньшей мере, одного ферромагнитного слоя неоднородна, и векторы локальной намагниченности первого m_rl и второго m_fl слоёв, по меньшей мере, в части гетероструктуры неколлинеарны, а выпрямление реализуется в нерезонансном режиме.

2. Выпрямитель по п.1, отличающийся тем, что указанные локальные векторы намагниченности m_rl и m_fl образуют угол не менее 5° и не более 175°, по меньшей мере, в части гетероструктуры, а соответствующая ширина полосы выпрямления составляет не менее 0.5 ГГц.

3. Выпрямитель по п.1, отличающийся тем, что величина средней намагниченности указанного неоднородного ферромагнитного слоя составляет не более 95% намагниченности насыщения этого слоя.

4. Выпрямитель по п.1, отличающийся тем, что указанный неоднородный ферромагнитный слой имеет C- и/или S-подобное распределение намагниченности.

5. Выпрямитель по п.1, отличающийся тем, что намагниченность, по меньшей мере, одного из ферромагнитных слоёв зафиксирована за счёт 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 и/или путём формирования геометрической анизотропии указанного слоя.