新一代高转化效率自旋发电机研究

自旋发电机是一种通过自旋进动将动态微波转化为静态直流电的新型自旋电子学器件。由于直流电信号检测的方便和高精度，自旋发电机在自旋动力学和近场微波成像研究中具有得天独厚的优势。本项目围绕提高自旋发电机的转化效率这一关键科学问题，采用具有高磁电阻效应的磁性复合材料，同时引入激发自旋进动的新机制即由自旋极化电流产生的自旋转矩效应，开发具有高转化效率的新一代自旋发电机。拟采用磁性多层膜制备与后期微加工工艺，将基于巨磁电阻和隧穿磁电阻效应的磁性复合材料与共面波导有机结合，制备不同系列的自旋发电机器件。重点研究1）磁性复合材料的磁电阻性能对器件输出信号的影响；2）由自旋转矩引起的自旋动力学以及相应的自旋整流效应的机制。该研究不仅可以大幅度提高自旋发电机性能，推动其在自旋动力学与微波成像方面的应用，而且可以深刻认识和理解多层复合磁性材料中自旋动力学行为与相应的自旋整流效应物理机制。

自旋发电机可以通过自旋的进动，将动态电磁波转化为直流电信号，是最近十年间发展起来的基于磁性材料的新型自旋电子学器件，目前已被广泛应用于自旋动力学和近场微波成像的研究中。本项目的核心，就是以科研和实际应用的需求为导向，从两个不同的方面入手开发新一代的自旋发电机器件。1）采用具有更高磁电阻性能的磁性复合材料的自旋发电机器件，目的是增大器件的输出信号，提高电磁波能量的转化效率，从器件性能优化的角度推动自旋发电机的应用前景；2）提出了不同于传统磁电阻机制的自旋发电机原理，并开发出相应的新原理器件，目的是推广自旋发电机在磁性材料研究中的应用。在这两方面重要的研究结果有：.1）.研制了基于隧穿磁电阻效应的高转化效率自旋发电机，其转化效率可以达到10毫伏每瓦特。对于老一代基于各向异性磁电阻效应的自旋发电机，其平均转化效率只有10微伏每瓦特。所以，采用高磁电阻效应的复合磁性材料之后，自旋发电机的转化效率可以提高3个量级。尤其是MgO绝缘层厚度为14埃的CoFeB隧道结，由于具有非常大的隧穿磁电阻~200%，在20dBm（等于0.1 瓦特）的微波功率下我们获得了强度为3毫伏的输出信号。.2）.提出了基于反常霍尔效应的自旋整流新机制，同时实现了相应的新型自旋发电机器件。自旋发电机的原理是自旋整流效应，即通过动态磁化强度和动态电流间的非线性耦合，将动态电磁波转化为直流电信号。我们从广义欧姆定律和整流效应的基本原理和公式出发，建立了反常霍尔效应的整流理论，并制备了基于此效应的自旋发电机器件。并基于以上工作，实现了微波磁场矢量探测的新途径。.3）.将自旋发电机的基本原理，即自旋整流效应成功推广到磁性材料的研究中。我们一方面简化了自旋整流的测试方法，另一方面从原理上扩充了可实现自旋整流的磁性材料体系，已经形成了一套简单、快速研究磁性材料的研究方法。目前，基于此原理实现了金属磁性薄膜材料动态磁性参数的快速表征，铁磁薄膜共振线宽的起源，铁电铁磁多场耦合效应的测量，CoZr纳米晶薄膜中反常霍尔效应的本质等研究工作。.以上主要研究成果都已发表在应用物理领域具有权威的国际期刊上，目前已经出版的论文有：Applied Physics Letters 3篇，Journal of Applied Physics 2篇。此外还有3篇论文已经确认接收，将于最近陆续发表出来。