專利名稱：：自旋微波振蕩器和自旋微波檢測器的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及微波振蕩器和微波檢測器領域，具體的說涉及基于閉合狀磁性多層膜和含金屬芯的閉合狀磁性多層膜的自旋微波振蕩器和自旋微波檢測器。
背景技術：
：目前的市場上已經有很多商用的微波振蕩器，但其都有一些不足之處。比如磁控管振蕩器是應用比較早的，但是它體積過大、不易于集成、且頻率低、功耗大，不能很好的用于未來通訊；LC壓控振蕩器的頻率不高，幾乎達不到吉赫茲，而且調頻范圍比較窄，集成度低，品質因素也低；晶體振蕩器是的輸出頻率一般不超過200MHz,雖然頻率穩(wěn)定性比較好，但是調頻比較困難。而在微波檢測器方面，目前同樣存在著一些缺點，比如體積過大，功耗較高，可以檢測的頻率過低，超高頻測量精度不高，對于高頻信號不能直接測量必須通過混頻把高頻信號降到低頻信號來測量等缺點。
發(fā)明內容本發(fā)明的一個目的是克服上述現(xiàn)有微波振蕩器的缺點，從而提供一種具有高輸出頻率且高調頻能力的自旋微波振蕩器。本發(fā)明的另一個目的是克服上述現(xiàn)有微波檢測器的缺點，從而提供一種無需混頻而直接測量高頻信號的自旋微波檢測器。本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的根據本發(fā)明的一個方面，提供一種自旋微波振蕩器，包括閉合狀磁性多層膜，用于產生交變信號；直流偏置，其與所述閉合狀磁性多層膜相連接，用于提供閉合狀磁性多層膜工作所需的直流電流，并使所述交變信號通過；微波電路，其與所述直流偏置相連接，用于放大、過濾交變信號并發(fā)射微波信號；其中所述閉合狀磁性多層膜的橫截面為各處環(huán)寬相同的圓環(huán)狀、橢圓環(huán)狀或正多邊形環(huán)狀，橫截面積為0.0008至34兀0.39兀)iim2。根據本發(fā)明的另一個方面，提供一種自旋微波檢測器，包括閉合狀磁性多層膜，用于接收待測微波信號并產生直流輸出信號；直流偏置，與所述閉合狀磁性多層膜相連接，用以使所述待測微波信號和所述直流輸出信號通過；電壓測量元件，其與所述直流偏置相連接，用于檢測所述直流輸出信，微波輸入電路，其與所述直流偏置相連接，用于提供待測微波信號；其中所述閉合狀磁性多層膜的橫截面為各處環(huán)寬相同的圓環(huán)狀、橢圓環(huán)狀或正多邊形環(huán)狀，4黃截面積為0.0008至0.39兀pm2。在上述技術方案中，所述閉合狀磁性多層膜的橫截面呈橢圓環(huán)狀，橢圓內環(huán)的短軸為20~400nm,內環(huán)短軸與長軸的比值為1:1~1:4，橢圓環(huán)寬為20300nm;在上述技術方案中，所述閉合狀磁性多層膜為無釘扎型單勢壘閉合狀磁性多層膜，其包括常規(guī)的各層一襯底及其上面的下部緩沖導電層，在所述下部緩沖導電層上依次沉積的硬磁層、中間層、軟磁層、覆蓋層及導電層；所述襯底的材料包括SrTi03、LaA103、Al203-TiC類陶乾、A1203-WC類陶瓷或Al2OrSiC類陶瓷；所述中間層的材料包括A1N;在上述技術方案中，所述閉合狀磁性多層膜為無釘扎型雙勢壘閉合狀磁性多層膜，其包括常規(guī)的各層一襯底及其上的下部緩沖導電層，在所述的下部緩沖導電層上依次沉積的第一硬磁性層、第一中間層、自由軟磁層、第二中間層、第二硬磁性層、覆蓋層及導電層；所述襯底的材料包括SrTi03、LaA103、Al2OrTiC類陶瓷、Al2OrWC類陶瓷或Al2OrSiC類陶瓷；所述中間層的材料包4舌A1N;在上述技術方案中，所述閉合狀磁性多層膜為釘扎型單勢壘閉合狀磁性多層膜，其包括常規(guī)的各層一村底及其上的下部緩沖導電層，在所述的下部緩沖導電層上依次沉積的反鐵磁釘扎層、被釘扎磁性層、中間層、自由軟磁層、覆蓋層及導電層；所述襯底的材料包括SrTi03、LaA103、Al2OrTiC類陶瓷、Al2OrWC類陶瓷或Al203-SiC類陶瓷；所述中間層的材料包括A1N。在上述技術方案中，所述閉合狀磁性多層膜為釘扎型雙勢壘閉合狀磁7性多層膜，其包括常規(guī)的各層一襯底及其上的下部緩沖導電層，在所述的下部緩沖導電層上依次沉積的第一反鐵磁釘扎層、第一被釘扎磁性層、第一中間層、自由軟磁層、第二中間層、第二被釘扎磁性層、第二反鐵^茲釘扎層及覆蓋層及導電層；所述襯底的材料包括SrTi03、LaA103、Al203-TiC類陶瓷、A1203-WC類陶瓷或Al203-SiC類陶資；所述中間層的材料包括A1N。根據本發(fā)明的又一個方面，提供一種自旋微波振蕩器，包括含金屬芯的閉合狀磁性多層膜，用于產生交變信號；直流偏置，其與所述含金屬芯的閉合狀磁性多層膜相連接，用于提供含金屬芯的閉合狀磁性多層膜工作所需的直流電流，并使所述交變信號通過；微波電路，其與所述直流偏置相連接，用于放大、過濾交變信號并發(fā)射微波信號；外加電路，其與所述金屬芯相連接，用于提供直流電流；其中所述含金屬芯的閉合狀磁性多層膜的橫截面為各處環(huán)寬相同的圓環(huán)狀、橢圓環(huán)狀或正多邊形環(huán)狀，橫截面積為0.0016至0.39邵m2。根據本發(fā)明的再一個方面，提供一種自旋微波檢測器，包括含金屬芯的閉合狀磁性多層膜，用于接收待測微波信號并產生直流輸出信號；直流偏置，與所述含金屬芯的閉合狀磁性多層膜相連接，用以使所述待測微波信號和所述直流輸出信號通過；電壓測量元件，其與所述直流偏置相連接，用于檢測所述直流輸出信微波輸入電路，其與所述直流偏置相連接，用于提供待測微波信號；外加電路，其與所述金屬芯相連接，用于提供直流電流；其中所述含金屬芯的閉合狀磁性多層膜的橫截面為各處環(huán)寬相同的圓環(huán)狀、橢圓環(huán)狀或正多邊形環(huán)狀，橫截面積為0.0016至0.39兀pm2。在上述技術方案中，所述含金屬芯的閉合狀磁性多層膜的橫截面呈橢圓環(huán)狀，橢圓內環(huán)的短軸為60400nrn,內環(huán)的短軸與長軸的比值為1:1~1:4,橢圓環(huán)寬為20-300nm;所述金屬芯的橫截面為橢圓形，橢圓形的短軸為20-200nm，其形狀與橢圓內環(huán)形狀相同。在上述技術方案中，所述含金屬芯的閉合狀磁性多層膜為含金屬芯的無釘扎型單勢壘閉合狀磁性多層膜，其包括常規(guī)的各層一襯底及其上面的下部緩沖導電層，在所述下部緩沖導電層上依次沉積的硬磁層、中間層、軟磁層、覆蓋層及導電層；所述襯底的材料包括SrTi03、LaA103、Al203-TiC類陶瓷、A1203-WC類陶瓷或Al2OrSiC類陶乾；所述中間層的材料包括A1N;所述金屬芯的材料包括Ru。在上述技術方案中，所述含金屬芯的閉合狀磁性多層膜為含金屬芯的無釘扎型雙勢壘閉合狀磁性多層膜，其包括常規(guī)的各層一襯底及其上的下部緩沖導電層，在所述的下部緩沖導電層上依次沉積的第一硬磁性層、第一中間層、自由軟磁層、第二中間層、第二硬磁性層、覆蓋層及導電層；所述襯底的材料包4舌SrTi03、LaA103、Al2OrTiC類陶瓷、Al2OrWC類陶瓷或Al2(VSiC類陶瓷；所述中間層的材料包括A1N;所述金屬芯的材料包括Ru。在上述技術方案中，所述含金屬芯的閉合狀磁性多層膜為含金屬芯的釘扎型單勢壘閉合狀磁性多層膜，其包括常規(guī)的各層一襯底及其上的下部緩沖導電層，在所述的下部緩沖導電層上依次沉積的反鐵磁釘扎層、被釘扎磁性層、中間層、自由軟磁層、覆蓋層及導電層；所述村底的材料包括SrTi03、LaA103、Al2OrTiC類陶瓷、A1203-WC類陶資或Al2OrSiC類陶瓷；所述中間層的材料包括A1N;所述金屬芯的材料包括Ru。在上述技術方案中，所述含金屬芯的閉合狀磁性多層膜為含金屬芯的釘扎型雙勢壘閉合狀磁性多層膜，其包括常規(guī)的各層一襯底及其上的下部緩沖導電層，在所述的下部緩沖導電層上依次沉積的第一反鐵磁釘扎層、第一被釘扎^茲性層、第一中間層、自由軟》茲層、第二中間層、第二被釘扎磁性層、第二反鐵磁釘扎層及覆蓋層及導電層；所述襯底的材料包括SrTi03、LaA103、Al2(VTiC類陶瓷、Al2OrWC類陶資或Al203-SiC類陶乾；所述中間層的材料包括A1N;所述金屬芯的材料包括Ru。根據本發(fā)明的又一個方面，振蕩器或檢測器還包括外加磁場，所述外加磁場的磁感應線通過磁性多層膜的各層。和現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的^b皮振蕩器具有小型化(振蕩單元達到幾十到幾百納米量級)、高集成度、低功耗、高工作頻率(可以達到GHz到幾十GHz)、高品質因素等特點，并且具有抗輻射性、較高頻率可控可調諧性、能穩(wěn)定工作于室溫環(huán)境的優(yōu)點。本發(fā)明的微波檢測器同樣具有小9型化(檢測單元達到幾十到幾百納米量級)、高集成度、低功耗、抗輻射性、可較精確靈敏檢測微波信號特別是超高頻微波信號的優(yōu)點，尤其可以在不需要復雜的混頻器等器件的條件下直接測量超高頻微波信號，大大簡化了器件結構及工藝，進一步提高了抗輻射性。以下，結合附圖來詳細說明本發(fā)明的實施例，其中圖l-la和圖l-lb分別是無釘扎型單勢壘磁性多層膜的圓環(huán)狀及橢圓環(huán)狀結構的頂視圖1-2是根據本發(fā)明的基于無釘扎型單勢壘圓環(huán)狀磁性多層膜結構的自旋微波振蕩器的示意圖。其中l(wèi)-緩沖導電層；2-硬磁層；3-中間層；4-軟磁層；5-覆蓋層；6-導電層；其余部分均為絕緣介質所填埋；圖2-la和圖2-lb分別是含金屬芯的無釘扎型單勢壘圓環(huán)磁性多層膜圓環(huán)狀及橢圓環(huán)狀結構的頂;純圖2-2是根據本發(fā)明的基于含金屬芯的無釘扎型單勢壘圓環(huán)狀磁性多層膜結構的自旋微波振蕩器的示意圖。其中l(wèi)-緩沖導電層；2-硬磁層；3-中間層；4-軟磁層；5-覆蓋層；6-導電層；7-金屬芯；其余部分均為絕緣介質所填埋；圖3是根據本發(fā)明的基于釘扎型單勢壘圓環(huán)狀的磁性多層膜結構的自旋微波振蕩器的示意圖。其中l(wèi)-緩沖導電層；2-反鐵磁釘扎層；3-被釘扎磁性層；4-中間層；5-自由軟磁層；6-覆蓋層；7-導電層；其余部分均為絕緣介質所填埋；圖4是根據本發(fā)明的基于含金屬芯的釘扎型單勢壘圓環(huán)狀磁性多層膜結構的自旋微波振蕩器的示意圖。其中l(wèi)-緩沖導電層；2-反鐵磁釘扎層；3-被釘扎磁性層；4-中間層；5-自由軟磁層；6-覆蓋層；7-導電層；8-金屬芯；其余部分均為絕緣介質所填埋；圖5是根據本發(fā)明的基于無釘扎型雙勢壘圓環(huán)狀的磁性多層膜結構的自旋微波振蕩器的示意圖。其中l(wèi)-緩沖導電層；2-第一硬磁層；3-第一中間層；4-自由軟磁層；5-第二中間層；6-第二硬磁層；7-覆蓋層；8-導電層；其余部分均為絕緣介質所填埋；圖6是根據本發(fā)明的基于釘扎型雙勢壘圓環(huán)狀的磁性多層膜結構的自旋微波振蕩器的示意圖。其中l(wèi)-緩沖導電層；2-第一反鐵磁釘扎層；3-第一被釘扎磁性層；4-第一中間層；5-自由軟磁層；6-第二中間層；7-第二被釘扎磁性層；8-第二反鐵磁釘扎層；9-覆蓋層；lO-導電層；其余部分均為絕緣介質所填埋；圖7是根據本發(fā)明的基于釘扎型單勢壘圓環(huán)狀的磁性多層膜結構的自旋微波檢測器的示意圖。其中l(wèi)-緩沖導電層；2-反鐵磁釘扎層；3-被釘扎磁性層；4-中間層；5-自由軟磁層；6-覆蓋層；7-導電層；其余部分均為絕緣介質所填埋。具體實施例方式由于本發(fā)明的自旋微波振蕩器和自旋微波檢測器均具有磁性多層膜，而在先專利申請CN101000821、CN101000822中對磁性多層膜各層的材料、厚度已做過詳盡描述，因此CN101000821、CN101000822在此全文引入作為本申請的一部分。另外需要說明的是，本申請中的"閉合狀磁性多層膜"包括無釘扎型單勢壘閉合狀磁性多層膜、無釘扎型雙勢壘閉合狀磁性多層膜、釘扎型單勢壘閉合狀磁性多層膜和釘扎型雙勢壘閉合狀磁性多層膜。眾所周知，巨》茲電阻歲丈應(GiantMagnetoResistance,GMR)和》茲性隧道結一直是科研人員的研究熱點，隨著科學技術的不斷提高，在1996年，Slonczewski[J.Magn,Magn.Mater.159,LI—-L7(1996)]和Berger[Phys.Rev.B54，9353—9358(1996)]等人曾經預言了一種存在于多層納米磁性結構中的新的物理機制一自旋轉移力矩(SpintransferTorque,STT)效應(或稱為自旋角動量轉移效應)，該物理機制可以利用自旋極化電流自身實現(xiàn)對單元磁化狀態(tài)的操控。隨后，Kiselev[Nature425,380—383(2003)]和Rippard等人[Phys.Rev.Lett.92，027201(2004)]在其各自所使用的磁性多層膜結構得到了微波振蕩的結果，進而開辟了納米磁性多層結構在射頻微波源、磁記錄、可編程邏輯器件等方面的應用前景。本發(fā)明正是基于上述STT物理機制以及磁性多層膜結構提出一種自旋微波振蕩器和一種自旋微波檢測器。:圖1-2為基于無釘扎型單勢壘圓環(huán)狀磁性多層膜結構的自旋微波振蕩器的示意圖。從圖l-2中可以看出，該自旋微波振蕩器包括無釘扎型單勢li壘圓環(huán)狀磁性多層膜(如圖l-la),直流偏置(biasT)以及微波電路。其中直流偏置包括一個電容和一個電感，用于提供無釘扎型單勢壘圓環(huán)狀磁性多層膜工作所需的直流電流，并使所述交變信號通過；微波電路包括放大電路、濾波電路及微波天線(未示出)等用于放大、過濾交變信號并發(fā)射微波信號。我們利用高真空;茲控濺射設備在一定生長條件下，在經過常規(guī)方法清洗的lmm厚的SrTi03襯底上依次沉積厚度為50nm的下部緩沖導電層Au，厚度為20nm的硬磁層(HFM)Co，厚度為5nm的中間層(II)AIN,厚度為5nm的軟磁層(SFM)Ni^Fe^和厚度為4nm的覆蓋層Ru。其中在沉積硬y磁層和軟》茲層時，施加50Oe平面誘導磁場。然后采用現(xiàn)有技術中的微加工技術，將沉積好的磁性多層膜制成圓環(huán)狀幾何結構，環(huán)的內徑為20nm，環(huán)寬為20nm，環(huán)的外徑為60nm，4黃截面積為0.0008兀^im2。隨后在此刻蝕成形的環(huán)狀石茲性多層膜上沉積一層80nm厚的Si02絕緣層，將環(huán)狀多層膜進行掩埋，采用微加工技術進行刻蝕，使得絕緣層下掩埋的環(huán)狀磁性多層膜暴露。最后沉積一層厚度為100nm的導電層Au,再利用微加工方法制作電極，這樣即得到無釘扎型單勢壘圓環(huán)狀磁性多層膜，然后再連接導線到外接微波電路制成自旋微波振蕩器。對該振蕩器進行測試，會發(fā)現(xiàn)當驅動電流從2.0毫安調節(jié)到7.6毫安時，能夠獲得大約5GHz到16GHz的高頻信號。這說明本發(fā)明的振蕩器能夠以較小范圍的驅動電流就可以得到較高頻率的微波發(fā)射，從而實現(xiàn)低功耗高頻的目的。同樣，在具有橫截面積為0.0008至0.39ttlim2之間且環(huán)寬相等的無釘扎型單勢壘圓環(huán)狀磁性多層膜的其他實施例中也可以得到GHz到幾十GHz的高頻信號。值得一提的是在本專利中的閉合狀磁性多層膜其磁性單元中，每一層鐵磁性薄膜的磁矩或磁通量完全可以自發(fā)形成順時針或逆時針的閉合狀態(tài)、或洋蔥狀亦即孿生狀(OnionStateMagnetizationortwinsdomainstructures)的閉合狀態(tài)、或可以使上下磁性層的磁矩形成垂直于膜面并平行于環(huán)狀軸線的垂直各向異性排列狀態(tài)、還或者在上下磁性層中，任一層的磁矩平行于膜面，另一層的磁矩垂直于膜面而使上下磁性層的磁矩之間形成穩(wěn)定的90度或接近于90度的排列狀態(tài)。上述磁性層磁矩的排布方式和上下磁性層磁矩間的夾角，均有利于產生較高的微波頻率和較大的調頻范圍。具體的說，該自旋微波振蕩器的工作原理是直流偏置向圓環(huán)狀磁性多層膜提供直流電流，當毫安級的電流垂直膜面通過器件時，磁化方向固定的硬磁層的傳導電子或界面的反射電子會產生才及化電流，該極化電流把自旋轉移給薄的軟磁層，結果使自由軟磁層的磁矩產生進動，使相對于下面硬磁層的-茲化方向所形成的夾角不斷變化，進而#4居^茲致電阻效應產生時變的電阻，并產生時變電壓，形成交變信號，該交變信號通過直流偏置后，經過放大器電路進行信號放大，然后經過一定的濾波電路再通過天線向外發(fā)射微波信號。根據實驗證明在小于磁性反轉閾值電流的前提下，振蕩器的微波頻率和功率是依賴于直流電流密度大小的，所以本發(fā)明的這種直接用直流電流驅動的機制本身能起到調頻作用。為了達到更好、更大范圍的調諧微波的目的，可選的，上述自旋微波器還包括外加磁場，該外加磁場的磁感應線應通過閉合狀磁性多層膜的各層。在實驗方面，如果對本實施例的磁性多層膜施加從O到10kOe的外加磁場，而且對于每一給定的外加磁場值，對外加靜磁場方向與磁性層法線的夾角進行從0度到90度的改變，這樣，在外加靜磁場的調節(jié)下，微波振蕩器的頻率可以由原來的5GHz到16GHz的頻率范圍增加到大約5GHz到38GHz的更寬頻的范圍，頻譜寬度可以達到10MHz，品質因數可以達到1000以上。因此，采用這種在自由-茲性層面內或面外與磁性層法線成任意角度的外加磁場，在改變電流密度大小的基礎上結合改變靜磁場的大小和方向來一同調節(jié)產生微波的頻率和功率，能夠實現(xiàn)對振蕩器更方便、更精確、更大波段范圍和功率范圍的調頻。因此，外加》茲場可以與任意下述的自旋微波振蕩器或檢測器實施例組合使用。對于本領域的技術人員來說應該理解，本發(fā)明采用的圓環(huán)狀磁性多層膜和直流偏置^f又為示例性的，其他-f黃截面積在0.0008至0.39TTjim2之間且環(huán)寬相同(內環(huán)和外環(huán)之間的距離處處相等)的圓環(huán)狀、橢圓環(huán)狀、矩形環(huán)狀、正六邊形環(huán)狀、正八邊形環(huán)狀、正十二邊形環(huán)狀等正多邊形環(huán)狀的磁性多層膜以及滿足上述功能的其他直流偏置均可以在本實施例以及下述的不含金屬芯的實施例中使用。另外，除了在先申請中所公開的無釘扎型單勢壘磁性多層膜各層的材料外，本發(fā)明的襯底還包括具有優(yōu)良熱傳導性、高強度、高韌性，且適于精密加工的SrTi03、LaA103、Al20rTiC類陶瓷、Al2OrWC類陶瓷或Al2OrSiC類陶瓷，以及SrTi03、LaA103,因為當制備以鈣鈦礦結構磁性材料作為磁性層的時候，這種襯底能很好的與磁性層晶格匹配，有利于磁性層形成優(yōu)良的晶格結構；其中中間層的材料還包括A1N。類似的，在以下所有實施例中均可以采用上述材料。[實施例2~4]:將實施例2~4各自的閉合狀磁性多層膜按照實施例1的方法得到自旋微波振蕩器，其工作原理同實施例1中所述。實施例24所采用的閉合狀磁性多層膜列于表1中。表1實施例2-4中所采用的閉合狀磁性多層膜實施例<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>圖2-2為基于含金屬芯的無釘扎型單勢壘圓環(huán)狀磁性多層膜結構的自旋微波振蕩器的示意圖。該自旋微波振蕩器包括含金屬芯的無釘扎型單勢壘圓環(huán)狀磁性多層膜，直流偏置，外加電路dc2以及微波電路，其中金屬芯位于圓環(huán)狀^茲性多層膜的幾何中心位置(如圖2-la)。應注意的是，其橫截面的形狀與磁性多層膜的形狀相匹配，即若磁性多層膜圖型化后的形狀為橢圓環(huán)狀則金屬芯亦為橢圓形(如圖2-lb)我們利用高真空;茲控濺射設備在一定的生長條件下，在經過常規(guī)方法清洗的lmm厚的LaA103村底上依次沉積厚度為30nm的下部緩沖導電層Ru,厚度為3nm的硬磁層(HFM)Co，厚度為lnm的中間層(Il)Cu，厚度為lnm的軟磁層(SFM)Co和厚度為4nm的覆蓋層Ru。其中在沉積硬磁層和軟磁層時，要加上誘導磁場50Oe。然后采用現(xiàn)有技術中的微加工技術，將沉積好的磁性多層膜制成圓環(huán)狀幾何結構，環(huán)的內徑為60nm,環(huán)的寬度為20nm，外徑為100nm，橫截面積為0.0016叩m2。隨后在此刻蝕成形的圓環(huán)狀磁性多層膜上，沉積一層80nm厚的Si02絕緣層，將圓環(huán)狀多層膜進行掩埋。采用微加工技術對Si02絕緣層進行刻蝕，形成直徑20nm的柱狀孔洞，之后利用聚焦離子束輔助沉積方法在孔洞位置沉積金屬材料Ru,形成一個直徑為20nm的Ru金屬芯。然后采用微加工技術再進行刻蝕，使得絕緣層下掩埋的圓環(huán)狀;茲性多層膜暴露。最后沉積一層厚度為80nm的導電層Au,用微加工工藝加工出電極，這樣即得到無釘扎型單勢壘圓環(huán)狀磁性多層膜，然后再連接導線到外接微波電路制成自旋微波振蕩器。14從實驗結果來看，通過調節(jié)金屬芯中的直流產生的環(huán)狀磁場，該振蕩器能夠得到0.2GHz—30GHz的輸出頻率，在外加靜磁場的情況下，還能獲得頻率為0.2GHz—42GHz的更大范圍，其頻謙寬度達到10MHz,品質因數可以達到1000以上。類似的，在對具有橫截面積在0.0016至0.3971jim2之間的閉合狀^茲性多層膜的振蕩器進行測試時，同樣得到大約0.2GHz—30GHz輸出頻率。從原理上來講，如果通過改變誘導;茲場在生長和微加工步驟中的順序或環(huán)寬，可以使上下磁性層磁矩同時垂直于膜面，或者一層的^茲矩平行于膜面，而另一層的磁矩垂直于膜面，進而使上下磁性層的磁矩之間形成穩(wěn)定的90度或接近于90度的排列。針對上面這兩類情況，含金屬芯的閉合狀磁性多層膜結構能產生垂直或平行于自由磁性層磁矩的磁場，進而多角度的對微波產生進行調控。另外，這種含金屬芯的結構可以不用在器件之外另加靜磁場(在常規(guī)靜磁場下，每個振蕩單元所受到的磁場大小和方向是幾乎相同的)而直接利用電路對每個振蕩單元產生的磁場進行控制，進而能更自由、更方便的對整個振蕩器甚至對每個單元進行控制。此外，由金屬芯產生的這種環(huán)狀外加磁場還容易使磁性多層膜產生vortex態(tài)，這也使得該發(fā)明的振蕩器的頻率范圍得到進一步擴大，為將來的更廣泛的應用提供了條件。對于本領域的技術人員來說應該理解，本發(fā)明采用的圓環(huán)狀磁性多層膜僅為示例性的，其他橫截面積在0.0016至0.397Tpm2之間且環(huán)寬相同(內環(huán)和外環(huán)之間的距離處處相等)的橢圓環(huán)狀、矩形環(huán)狀、三角形環(huán)狀、五邊形環(huán)狀等具有閉合狀環(huán)形的磁性多層膜均可以在本實施例以及下述的含金屬芯的實施例中使用。在本實施例以及包含金屬芯的實施例中，所述金屬芯的材料還包括Ru。:將實施例6~8各自的閉合狀磁性多層膜按照實施例5的方法得到自旋微波振蕩器，其工作原理同實施例5中所述。實施例68所采用的閉合狀磁性多層膜列于表2中。表2實施例6~8所采用的閉合狀磁性多層膜實施例參考圖號閉合狀磁性多層膜<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>:圖7為基于釘扎型單勢壘橢圓環(huán)狀的磁性多層膜結構的自旋微波檢測器的示意圖。該自旋微波檢測器包括釘扎型單勢壘橢圓環(huán)狀磁性多層膜，用于接收待測微波信號并產生直流輸出信號；直流偏置，與所述釘扎型單勢壘橢圓環(huán)狀磁性多層膜相連接，用以使所述待測微波信號和所述直流輸出信號通過，所述直流偏置包括電感和電容；電壓測量元件，其與所迷直流偏置電感端相連接，用于檢測所述直流輸出信號；微波輸入電路，其與所述直流偏置電容端相連接，用于提供待測微波信號。我們利用高真空f茲控濺射設備在一定生長條件下，在經過常規(guī)方法清洗的0.5mm厚的Si/SK)2襯底上依次沉積厚度為50nm的下部緩沖導電層Ta，厚度為10nm的反鐵磁釘扎層(AFM)IrMn，厚度為5nm的被釘扎磁性層(FM1)CoFeB;然后沉積lnm的MgO絕緣層作為中間層(I2);在該中間層上依次沉積厚度為5nm的自由軟磁層(FM2)CoFeB和厚度為5nm的覆蓋層Ta。其中在沉積硬磁層和軟磁層時，施加1500e的平面誘導磁場。然后采用現(xiàn)有技術中的微加工技術，將沉積好的磁性多層膜制成橢圓環(huán)狀幾何結構，橢圓環(huán)的內環(huán)短軸為400nm，內環(huán)長軸為1.6^m,環(huán)寬為300nm,橢圓環(huán)的外環(huán)短軸為ljim,外環(huán)長軸為2.2|um，橢圓環(huán)的橫截面積為0.39兀iLim2。然后在此刻蝕成形的環(huán)狀;茲性多層膜上經過實施例1相同的方法沉積一層厚度為100nm的導電層Cu，再利用微加工方法制作電極，這樣即得到釘扎型單勢壘橢圓環(huán)狀磁性多層膜結構，然后再連接到可以同時通過待測微波信號及直流輸出信號的BiasT，并連接電壓測量元件及微波輸入電路形成自旋微波檢測器。該自旋微波檢測器的工作原理是微波輸入電路通過BiasT向閉合狀磁性多層膜提供待測微波信號，該射頻電流垂直膜面通過閉合狀磁性多層膜，基于自旋轉矩效應，當射頻電流的頻率和自由磁性層磁矩進動頻率相同時(即達到共振頻率)，輸入的射頻電流和變化的磁致電阻共同作用會輸出一個直流電壓，該直流電壓通過BiasT后可凈皮電壓測量元件4企測到，此時輸出的直流電壓時的交流電流的頻率就是待測的微波頻率。本發(fā)明的自旋微波檢測器可以直接檢測所輸入的超高頻微波，從而克服了需要外加一些額外電路(包括混頻器和本征頻率產生器等)將超高頻降頻然后才能檢測的缺點。這樣可以筒化檢測器的結構和制造工藝，而且這個共振頻率可以通過外加磁場進行調節(jié)，這樣就可以不需要做硬件上的改變很方便的改變器件的工作頻段和性能。:將實施例1012各自的閉合狀磁性多層膜按照實施例9的方法得到自旋微波振蕩器，其工作原理同實施例9中所述。實施例1012所采用的閉合狀磁性多層膜列于表3中。表3實施例10-12所采用的閉合狀磁性多層膜<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>:本實施例為基于含金屬芯的釘扎型單勢壘橢圓環(huán)狀的磁性多層膜結構的自旋微波檢測器。該自旋微波檢測器包括含金屬芯的釘扎型單勢壘橢圓環(huán)狀磁性多層膜，直流偏置，電壓測量元件，微波輸入電路和外加電路。與實施例9相比，該自旋微波檢測器的釘扎型單勢壘橢圓環(huán)狀磁性多層膜中多了一個金屬芯，因此需要多加入一個外加電路，使其與所述金屬芯相連接，用于提供直流電流，其他部件及其連接方式均不發(fā)生改變。如實施例5中對含金屬芯的閉合狀磁性多層膜作用的描述，該自旋微波檢測器同樣使微波的調諧能力增強。:將實施例14~16各自的閉合狀磁性多層膜按照實施例13的方法得到自旋微波振蕩器，其工作原理同實施例13的自旋微波檢測器。實施例14-16所采用的閉合狀^f茲性多層膜列于表4中。表4實施例1416所采用的閉合狀,茲性多層膜實施例閉合狀磁性多層膜14含金屬芯的無釘扎型單勢壘橢圓環(huán)狀的磁性多層膜15含金屬芯的無釘扎型雙勢壘橢圓環(huán)狀的磁性多層膜16含金屬芯的釘扎型雙勢壘橢圓環(huán)狀的磁性多層膜總的來說，本發(fā)明提供了基于STT機制以及閉合狀磁性多層膜(包括含有金屬芯的)的力旋微波振蕩器和自旋微波檢測器。不同于以前微波振蕩器所采用的磁場和電荷的特性或者是宏觀的機械運動，本發(fā)明釆用直流電流控制微波的振蕩和輸出。這意味著不需要外磁場而直接使用直流電流來控制納米磁體中的電i茲運動的夢想已經實現(xiàn)，成為幾乎是無所不在的晶體振蕩器的一種替代方案。此外，由于自旋狀態(tài)能在高速狀態(tài)下進行轉換，一個自旋振蕩器可以輕而易舉的產生吉赫茲級的極高頻率，這種頻率適用于3G通訊和無線網絡收發(fā)器，而且該新型振蕩器的寬度可以只有100nm，比一個晶體振蕩器要小數千倍，為實際應用提供了有利條件。為了得到強的輸出信號，還可以把本發(fā)明的單元排成陣列，利用相鎖原理在微米尺度上的振蕩器陣列在室溫下實現(xiàn)微瓦數量級的輸出。由于閉合狀磁性多層膜結構能提高磁性多層膜的性能，使其在保持磁性多層膜原有特征和性能的情況下，還具有無退磁場和最小磁各向異性的有點，給集成大規(guī)模應用帶來了方便，并有利于器件工作性能的穩(wěn)定和性能的提高。盡管參照上述的實施例已對本發(fā)明作出具體描述，但是對于本領域的普通技術人員來說，應該理解可以基于本發(fā)明公開的內容進行修改或改進，并且這些修改和改進都在本發(fā)明的精神以及范圍之內。18權利要求1.一種自旋微波振蕩器，包括閉合狀磁性多層膜，用于產生交變信號；直流偏置，其與所述閉合狀磁性多層膜相連接，用于提供閉合狀磁性多層膜工作所需的直流電流，并使所述交變信號通過；微波電路，其與所述直流偏置相連接，用于放大、過濾交變信號并發(fā)射微波信號；其中所述閉合狀磁性多層膜的橫截面為各處環(huán)寬相同的圓環(huán)狀、橢圓環(huán)狀或正多邊形環(huán)狀，橫截面積為0.0008至0.39πμm2。2.—種自旋微波檢測器，包括閉合狀磁性多層膜，用于接收待測微波信號并產生直流輸出信號；直流偏置，與所述閉合狀磁性多層膜相連接，用以使所述待測微波信號和所述直流輸出信號通過；電壓測量元件，其與所述直流偏置相連接，用于檢測所述直流輸出信號微波輸入電路，其與所述直流偏置相連接，用于提供待測微波信號；其中所述閉合狀磁性多層膜的橫截面為各處環(huán)寬相同的圓環(huán)狀、橢圓環(huán)狀或正多邊形環(huán)一犬，對黃截面積為0.0008至0.39兀(im2。3.如權利要求1所述的振蕩器或如權利要求2所述的檢測器，其中所述閉合狀磁性多層膜的橫截面呈橢圓環(huán)狀，橢圓內環(huán)的短軸為20-400nm,內環(huán)短軸與長軸的比值為1:1~1:4,橢圓環(huán)寬為20300nm。4.如權利要求1所述的振蕩器或如權利要求2所述的檢測器，其中所述閉合狀磁性多層膜為無釘扎型單勢壘閉合狀磁性多層膜，其包括常規(guī)的各層一襯底及其上面的下部緩沖導電層，在所述下部緩沖導電層上依次沉積的硬磁層、中間層、軟磁層、覆蓋層及導電層；所述襯底的材料包括SrTi03、LaA103、Al203-TiC類陶瓷、A1203-WC類陶瓷或Al203-SiC類陶瓷；所述中間層的材料包括A1N。5.如權利要求1所述的振蕩器或如權利要求2所述的檢測器，其中所述閉合狀磁性多層膜為無釘扎型雙勢壘閉合狀磁性多層膜，其包括常規(guī)的各層一襯底及其上的下部緩沖導電層，在所述的下部緩沖導電層上依次沉積的第一硬磁性層、第一中間層、自由軟磁層、第二中間層、第二硬磁性層、覆蓋層及導電層；所述襯底的材料包括SrTi03、LaA103、Al2OrTiC類陶瓷、A1203-WC類陶瓷或Al203-SiC類陶瓷；所述中間層的材料包括A1N。6.如權利要求1所述的振蕩器或如權利要求2所述的檢測器，其中所述閉合狀磁性多層膜為釘扎型單勢壘閉合狀磁性多層膜，其包括常規(guī)的各層一襯底及其上的下部緩沖導電層，在所述的下部緩沖導電層上依次沉積的反鐵磁釘扎層、被釘扎磁性層、中間層、自由軟磁層、覆蓋層及導電層；所述村底的材料包括SrTi03、LaA103、Al203-TiC類陶瓷、A1203-WC類陶資或Al2OrSiC類陶資；所述中間層的材料包括A1N。7.如權利要求1所述的振蕩器或如權利要求2所述的檢測器，其中所述閉合狀磁性多層膜為釘扎型雙勢壘閉合狀》茲性多層膜，其包括常規(guī)的各層一襯底及其上的下部緩沖導電層，在所述的下部緩沖導電層上依次沉積的第一反鐵^f茲釘扎層、第一被釘扎》茲性層、第一中間層、自由軟》茲層、第二中間層、第二被^r扎磁性層、第二反鐵》茲釘扎層及覆蓋層及導電層；所述襯底的材料包括SrTi03、LaA103、Al203-TiC類陶資、A1203-WC類陶瓷或Al203-SiC類陶瓷；所述中間層的材料包4舌A1N。8.—種自旋微波振蕩器，包括含金屬芯的閉合狀磁性多層膜，用于產生交變信號；直流偏置，其與所述含金屬芯的閉合狀^磁性多層膜相連接，用于提供含金屬芯的閉合狀磁性多層膜工作所需的直流電流，并使所述交變信號通過；微波電路，其與所述直流偏置相連接，用于放大、過濾交變信號并發(fā)射微波信號；外加電路，其與所述金屬芯相連接，用于提供直流電流；其中所述含金屬芯的閉合狀磁性多層膜的橫截面為各處環(huán)寬相同的圓環(huán)狀、橢圓環(huán)狀或正多邊形環(huán)狀，橫截面積為0.0016至0.39叫m2。9.一種自旋微波檢測器，包括含金屬芯的閉合狀磁性多層膜，用于接收待測微波信號并產生直流輸出信號；直流偏置，與所述含金屬芯的閉合狀磁性多層膜相連接，用以使所述待測微波信號和所述直流輸出信號通過；電壓測量元件，其與所述直流偏置相連接，用于檢測所述直流輸出信號；微波輸入電路，其與所述直流偏置相連接，用于提供待測微波信號；外加電路，其與所述金屬芯相連接，用于提供直流電流；其中所述含金屬芯的閉合狀磁性多層膜的橫截面為各處環(huán)寬相同的圓環(huán)狀、橢圓環(huán)狀或正多邊形環(huán)狀，橫截面積為0.0016至0.397t|im2。10.如權利要求8所述的振蕩器或如權利要求9所述的檢測器，其中所述含金屬芯的閉合狀磁性多層膜的橫截面呈橢圓環(huán)狀，橢圓內環(huán)的短軸為60~400nm，內環(huán)的短軸與長軸的比值為1:1~1:4，橢圓環(huán)寬為20~300nm;所述金屬芯的橫截面為橢圓形，橢圓形的短軸為20~200nm,其形狀與橢圓內環(huán)形狀相同。11.如權利要求8所述的振蕩器或如權利要求9所述的檢測器，其中所述含金屬芯的閉合狀磁性多層膜為含金屬芯的無釘扎型單勢壘閉合狀磁性多層膜，其包括常規(guī)的各層一襯底及其上面的下部緩沖導電層，在所述下部緩沖導電層上依次沉積的硬磁層、中間層、軟磁層、覆蓋層及導電層；所述襯底的材料包括SrTi03、LaA103、Al20rTiC類陶瓷、Al2OrWC類陶瓷或Al2CVSiC類陶瓷；所述中間層的材料包括A1N;所述金屬芯的材料包括Ru。12.如權利要求8所述的振蕩器或如權利要求9所述的檢測器，其中所述含金屬芯的閉合狀磁性多層膜為含金屬芯的無釘扎型雙勢壘閉合狀磁性多層膜，其包括常規(guī)的各層一襯底及其上的下部緩沖導電層，在所述的下部緩沖導電層上依次沉積的第一硬磁性層、第一中間層、自由軟磁層、第二中間層、第二硬磁性層、覆蓋層及導電層；所述村底的材料包括SrTi03、LaA103、Al2OrTiC類陶資、A1203-WC類陶乾或Al2OrSiC類陶瓷；所述中間層的材料包括A1N;所述金屬芯的材料包括Ru。13.如權利要求8所述的振蕩器或如權利要求9所述的檢測器，其中所述含金屬芯的閉合狀磁性多層膜為含金屬芯的釘扎型單勢壘閉合狀磁性多層膜，其包括常規(guī)的各層一村底及其上的下部緩沖導電層，在所述的下部緩沖導電層上依次沉積的反鐵磁釘扎層、被釘扎磁性層、中間層、自由軟磁層、覆蓋層及導電層；所述襯底的材料包括SrTi03、LaA103、Al203-TiC類陶瓷、A1203-WC類陶瓷或Al203-SiC類陶瓷；所述中間層的材料包括A1N;所述金屬芯的材料包括Ru。14.如權利要求8所述的振蕩器或如權利要求9所述的檢測器，其中所述含金屬芯的閉合狀磁性多層膜為含金屬芯的釘扎型雙勢壘閉合狀磁性多層膜，其包括常規(guī)的各層一襯底及其上的下部緩沖導電層，在所述的下部緩沖導電層上依次沉積的第一反鐵磁釘扎層、第一被釘扎^f茲性層、第一中間層、自由軟磁層、第二中間層、第二被釘扎磁性層、第二反鐵磁釘扎層及覆蓋層及導電層；所述襯底的材料包括SrTi03、LaA103、Al2OrTiC類陶瓷、Ab03-WC類陶瓷或Al20rSiC類詢資；所述中間層的材料包括A1N;所述金屬芯的材料包括Ru。15.如權利要求1、8所述的振蕩器或如權利要求2、9所述的檢測器，還包括外加磁場，所述外加磁場的磁感應線通過磁性多層膜的各層。16.如權利要求1、8所述的振蕩器或如權利要求2、9所述的檢測器，其中所述直流偏置包括電感和電容。17.如權利要求1、8所述的振蕩器或如權利要求2、9所述的檢測器，其中所述閉合狀磁性多層膜的磁性單元中，每一層鐵磁性薄膜的磁矩或磁通量完全可以自發(fā)的形成順時針或逆時針的閉合狀態(tài)；或洋蔥狀亦即孿生狀的閉合狀態(tài)；或可以使上下磁性層的磁矩形成垂直于膜面并平行于環(huán)狀軸線的垂直各向異性排列狀態(tài)；還或者在上下磁性層中，任一層的磁矩平行于膜面，另一層的磁矩垂直于膜面而使上下磁性層的磁矩之間形成穩(wěn)定的90度或接近于90度的排列狀態(tài)。全文摘要本發(fā)明提供了一種自旋微波振蕩器和一種自旋微波檢測器。本發(fā)明的自旋微波振蕩器是直接用直流電流控制的基于自旋角動量轉移原理的微波振蕩和輸出，或者更可以利用直流電流和外加靜磁場聯(lián)合調控的微波振蕩器，具有小型化，高的集成度，低功耗，高的頻率可控可調諧性等優(yōu)點；本發(fā)明的自旋微波檢測器利用輸入微波而產生直流電壓直接來檢測輸入微波，具有無需混頻而直接測量高頻信號的優(yōu)點。文檔編號H01P7/10GK101685901SQ20081022296公開日2010年3月31日申請日期2008年9月24日優(yōu)先權日2008年9月24日發(fā)明者于國強,劉東屏,溫振超,譯王,韓秀峰申請人:中國科學院物理研究所