早期的磁隧道結(jié)依靠磁場實現(xiàn)磁化翻轉(zhuǎn)，這種方式往往功耗較高，隨著工藝尺寸減小, 寫入電流將急劇增大, 難以在納米級磁隧道結(jié)中推廣應(yīng)用。1996年, slonczewski和berger從理論上預(yù)測了一種被稱為自旋轉(zhuǎn)移矩（spin transfer torque, stt）的純電學(xué)的磁隧道結(jié)寫入方式，克服了傳統(tǒng)磁場寫入的缺點，并且寫入電流的大小可隨工藝尺寸的縮小而減小。2000年前后, 自旋轉(zhuǎn)移矩在實驗上被用于實現(xiàn)金屬多層膜的磁化翻轉(zhuǎn)[1]。基于此效應(yīng)，一種新型的微波振蕩器被提出來，即自旋轉(zhuǎn)移力矩納米振蕩器（stno），利用自旋極化電流誘導(dǎo)納米磁體磁矩翻轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)了微波振蕩。
stno的典型結(jié)構(gòu)采用一個三明治結(jié)構(gòu)“固定鐵磁層fm/非磁性層nm/自由鐵磁層fm”來實現(xiàn)，因為內(nèi)部阻尼的作用，為了維持自振蕩，需要106 - 108 a /cm2級的大電流密度，這可以通過在三層膜上使用納米觸點對電流實現(xiàn)空間壓縮來實現(xiàn)，這也是小型化磁振子器件中有效的自旋波注入器。隧穿磁電阻(tmr)比巨磁阻(gmr)高一個或多個數(shù)量級，為了實現(xiàn)的電子自旋波讀出，磁振子器件還必須基于磁隧道結(jié)(mtj)。
圖1：a.普通納米觸點振蕩器結(jié)構(gòu)；b.寬邊帽納米觸點振蕩器結(jié)構(gòu)；c.磁滯回線；d.磁電阻測試：內(nèi)嵌圖為自由層的鐵磁共振頻率和面內(nèi)磁場關(guān)系。（圖片來源： nature communications (2018) 9:4374）
與頂部金屬層相比，mtj隧穿勢壘的導(dǎo)電性相對較低，導(dǎo)致普通納米觸點的大橫向電流分流（圖1a）。為了使更多的電流通過mtj，哥德堡大學(xué)物理系的j. åkerman課題組采用了寬邊帽結(jié)構(gòu)納米觸點，當(dāng)mtj覆蓋層從納米觸點向外延伸時，帽狀帽層逐漸變薄，并使用一層1.5ωm2低阻面積(ra)產(chǎn)品的mgo進(jìn)一步促進(jìn)隧穿勢壘(圖1b)。
圖2：不同驅(qū)動電流下功率譜密度和磁場關(guān)系，a idc= −5 ma, b idc =−6 ma, c idc= −7 ma, d idc = −8 ma, e idc = −9 ma, and f idc =−10 ma.（圖片來源： nature communications (2018) 9:4374）
所得到的器件表現(xiàn)出與納米觸點stno相關(guān)的典型自旋波模式，在不同驅(qū)動電流下觀測到兩個二階和三階傳播自旋波模態(tài)（如圖2），這兩種模式的波長估計分別為120和74納米，比150納米觸點小得多。該研究表明這些高階傳播的自旋波將使磁振子器件能夠在*的頻率下工作，并大大增加它們的傳輸速率和自旋波傳播長度。
值得注意的是，該研究的鐵磁共振測試使用了瑞典nanosc公司的cryofmr結(jié)合美國montana公司的超精細(xì)多功能無液氦低溫光學(xué)恒溫器，可以提供0.7t以上，10k~350k的變溫，以及2~40ghz的高精度鐵磁共振測試（如圖3），用戶可以快速有效的獲取阻尼系數(shù)α，以及有效磁矩 meff，旋磁比γ，非均勻展寬δho等動態(tài)磁學(xué)參數(shù)，也可以表征靜態(tài)磁學(xué)性能，如飽和磁化強(qiáng)度ms等。此外，nanosc公司的fmr測試系統(tǒng)還可以搭配電磁鐵、ppms、versalab等平臺進(jìn)行常溫或低溫下的鐵磁共振測試。
圖3：cryofmr+montana恒溫器
nanosc公司注重用戶的使用體驗，許多用戶有反饋鐵磁共振測試系統(tǒng)只能固定頻率來進(jìn)行磁場掃描，是否可以增加固定磁場來掃頻率的功能。經(jīng)過大半年的時間，nanosc公司完成了設(shè)備的升級與測試，兩種模式下的測試結(jié)果匹配度非常高（如圖4，如需更多測試結(jié)果，請與我們聯(lián)系）。未來正式發(fā)布的新的鐵磁共振測試系統(tǒng)可以實現(xiàn)固定磁場掃頻率的功能，原來已購買的系統(tǒng)可以進(jìn)行付費升級。
圖4 ：nanosc鐵磁共振測試10nm nife
上：固定頻率掃磁場模式 下：固定磁場掃頻率模式
參考文獻(xiàn)：
[1] 趙巍勝,王昭昊,彭守仲, 王樂知, 常亮, 張有光, stt-mram存儲器的研究進(jìn)展.中國科學(xué): 物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué) 46, 107306 (2016 )
[2] houshang, a. , j. åkerman,et al. nature communication (2018) 9:4374