垂直磁化的纳米自旋矩微波能量捕获器的制备及性能研究

Spin torque diode (STD) based on spin transfer torque effect has attracted intense attention for its potential applications in microwave detecting due to its unique characteristics such as device simplicity, nanoscale size, frequency adjustable, and easy integration. It has recently been shown theoretically, that STDs could play the role of microwave energy harvesters, which can convert microwave signal with different frequency into a direct voltage. Currently, the study of spin microwave energy harvester based STD has not been shown in experiment. This project proposes a novel magnetic tunnel junction (MTJ) multilayer stack using perpendicular magnetic anisotropy materials, and plans to study fabrication and microwave energy harvesting properties of nanoscale MTJs. Particular attention will be paid on the effect of perpendicular magnetic anisotropy, the frequency and power of the microwave energy, and external magnetic field on the rectified d.c. voltage and conversion efficiency. The project will study the magnetization dynamics of STD under microwave energy and reveals the key factors of microwave rectifying voltage and conversion efficiency by combining with micromagnetic simulation. This work is of significance to the development of new microwave energy harvesting from the fundamental and practical view.

基于自旋转移力矩效应的自旋矩二极管具有尺寸小、结构简单、频率可调和容易集成等优点，在微波探测领域具有广阔的应用前景。近来，理论研究表明自旋矩二极管可以将不同频率的微波能量转换为直流能量（电压），用于微波能量的收集。目前尚未见该方面的实验报道。本项目提出一种基于垂直磁各向异性材料的磁性隧道结多层膜结构，制备基于该结构的纳米自旋二极管器件，研究器件的微波能量收集特性，重点研究垂直磁晶各向异性场、微波频率和功率、外加磁场对整流电压和转换效率的影响。结合微磁学模拟研究微波能量作用下自旋矩二极管的磁动力学行为，并揭示决定器件的微波整流电压和转换效率的关键因素，为开发新型微波能量收集技术做出有益的探索及开拓。

利用电子自旋属性构建的微波器件，有望解决传统微波器件在未来发展中面临的挑战，如微型化、多功能化、集成化等，具有重要的科学研究和应用价值，已经引起人们的广泛关注。近年来，基于磁性隧道结的隧穿磁电阻效应以及自旋转移力矩效应的微波器件，已经被广泛研究并有潜力用于高频可调的微波振荡器，以及高灵敏微波探测器等领域。申请人在该项目的执行过程中，开展了另一种基于电子自旋属性的新型纳米微波能量捕获器件的研究。主要研究内容包括：纳米磁性隧道结的设计与制备、宽频微波自旋整流性能表征分析，以及微波能量采集的纳米自供能器件构建。通过逐步深入研究，探讨决定器件的微波整流带宽和转换效率等的关键因素及其调控途径，并通过材料、器件结构和加工工艺优化，取得了一些重要研究结果和关键性能指标：.（1）对器件注入特定功率的微波信号，改变微波信号的频率，观察器件的共振吸收特性。调整注入微波的功率大小，研究不同功率对微波整流带宽和整流电压的影响。初步实现宽频整流现象，频率在0.3 – 1.2 GHz范围。.（2）利用具有宽频微波捕获特性的磁性隧道结作为一个纳米功率发电机，同时制备了一种基于二维纳米材料（如寡层黑磷）的半导体器件，最后通过微加工技术将两种纳米器件进行电路互联，由宽频磁性隧道结器件捕获的微波能量作为黑鳞半导体器件工作的能量来源，实现了半导体纳米器件光响应特性演示。.（3） 为了拓宽整流器件的带宽，进一步优化了磁性隧道结的材料结构。通过调控CoFeB/MgO界面的磁晶各向异性能，目前获得最高整流带宽可以达到0.3 – 4.5 GHz。.这些研究成果不仅完成了项目的预计成果指标【宽频（300 MHz ~3 GHz）、 低功率（10 nW~100 μW）微波信号的能量捕获】，同时为开发新型微波能量捕获技术做出有益的探索及开拓。