本發(fā)明屬于自旋波器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種自偏置的自旋波波導(dǎo)及其制備方法。

背景技術(shù)：

序磁性(鐵磁、亞鐵磁、反鐵磁)體中相互作用的自旋體系由于各種激發(fā)作用引起的集體運(yùn)動，稱為自旋波或磁振子(Magnon)。利用自旋波概念，1930s年代就用它成功地解釋了飽和磁化強(qiáng)度隨溫度的變化關(guān)系，1940s年代后期成功地解釋了旋磁鐵氧體的鐵磁共振線寬以及高功率臨界場，1960s年代以后開始利用自旋波的傳播特性，基于石榴石(YIG)材料研制靜磁波器件。2000s年代后，隨著納米科學(xué)的發(fā)展，微納米尺度的自旋波研究逐步成為了熱點(diǎn)，催生一門新學(xué)科——磁振子學(xué)(Magnonics)的誕生，使其成為現(xiàn)代固態(tài)物理的一個(gè)重要分支。伴隨著自旋電子學(xué)中的許多新物理現(xiàn)象，如自旋轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)移效應(yīng)、自旋霍爾效應(yīng)、自旋泵浦效應(yīng)和自旋熱電效應(yīng)等的研究，自旋波與自旋電子學(xué)的結(jié)合，自旋波電子學(xué)(也稱磁振子自旋電子學(xué)，Magnon spintronics)更成為了研究的焦點(diǎn)。

自旋波電子學(xué)是指研究自旋電子學(xué)有關(guān)的結(jié)構(gòu)、器件和電路中利用磁振子傳輸自旋電流的科學(xué)。類似于電子電流，基于磁振子的電流可以被用于信息的編碼、輸運(yùn)和處理。利用磁振子可以完成新型的基于波的計(jì)算技術(shù)，由于基于自旋波的器件是利用自旋波完成信號的傳輸與處理，是非電荷器件，其能耗極低，能克服現(xiàn)代電子學(xué)的內(nèi)在缺陷。基于波的干涉和波的非線性相互作用設(shè)計(jì)的自旋波邏輯電路與常規(guī)的基于電子的邏輯電路相比具有更小的芯片面積；同時(shí)在同樣頻率下，自旋波的波長比電磁波的波長小1個(gè)數(shù)量級以上，故基于自旋波的磁功能器件更易實(shí)現(xiàn)集成化，滿足片上微波信號處理與通信應(yīng)用的需求。自旋波電子器件的研究涉及自旋波激發(fā)、自旋波波導(dǎo)、自旋波探測等技術(shù)問題。

根據(jù)激勵方式，自旋波的傳播分為表面模式和體模式。表面模式，也叫Damon-Eshbach模式(以下簡稱DE模式)，其波導(dǎo)的磁矩與傳播波矢共面，且相互垂直，具有群速高、偏置場低、易激發(fā)等優(yōu)點(diǎn)，在自旋波器件中已廣泛應(yīng)用。然而，DE模式自旋波中需要磁矩與傳播波矢相互垂直，實(shí)際應(yīng)用中通常將器件采用外加偏置磁場讓磁矩沿某一方向飽和磁化來實(shí)現(xiàn)，這就需要用電磁線圈或永磁體來提供偏置場，增加了器件的耗能體積。同時(shí)，目前常規(guī)的自旋波波導(dǎo)是在均勻的磁性薄膜上光刻形成微納米寬度的條帶實(shí)現(xiàn)的，工藝復(fù)雜，功耗大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種自偏置的自旋波波導(dǎo)及其制備方法，有效解決了傳播DE模式自旋波波導(dǎo)對外加偏置磁場的要求導(dǎo)致器件能耗高的問題。本發(fā)明采用垂直各向異性的永磁薄膜與軟磁薄膜形成交換-彈性(exchange-spring)結(jié)構(gòu)，由于永磁薄膜上下磁疇形成的磁通使軟磁薄膜中的磁矩沿磁通方向整齊排布，這樣，在沒有偏置磁場的情況下就能形成自旋波波導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)了自旋波波導(dǎo)的自偏置；其自偏置場的大小可通過永磁材料的種類及厚度調(diào)節(jié)，有利于實(shí)現(xiàn)集成化的自旋波波導(dǎo)，為集成自旋波器件的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種自偏置的自旋波波導(dǎo)，包括基片，依次形成于基片之上的永磁薄膜、絕緣介質(zhì)薄膜、軟磁薄膜和保護(hù)層形成的多層薄膜結(jié)構(gòu)，所述多層薄膜結(jié)構(gòu)在垂直于膜面的磁場中飽和磁化后，采用單極磁頭的寫入磁場局域翻轉(zhuǎn)永磁薄膜的磁化方向，即可形成自偏置的自旋波波導(dǎo)。

進(jìn)一步地，所述永磁薄膜是指利用界面效應(yīng)形成的具有垂直各向異性的薄膜，該永磁薄膜中包含Co/Ni薄膜、Co/Pd薄膜、Co/Pt薄膜或Fe/Pt薄膜中的至少一種，其厚度為10～20nm，其具體的層數(shù)根據(jù)傳播自旋波的頻率決定。

進(jìn)一步地，所述絕緣介質(zhì)薄膜為電阻率大于1010Ω.cm的絕緣介質(zhì)形成的薄膜，具體為SiO₂等。

進(jìn)一步地，所述軟磁薄膜為低阻尼系數(shù)(阻尼系數(shù)小于2×10^-3)的合金形成的薄膜，具體為NiFe合金、CoFeB合金等。

更進(jìn)一步地，上述NiFe合金中鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為81％，鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為19％；上述CoFeB合金中鈷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20％，鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60％，硼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20％。

更進(jìn)一步地，上述NiFe合金薄膜采用磁控濺射法制備得到，其中，背底真空為小于10^-8mbar，濺射氣體為氬氣，濺射氣壓為1.5×10^-4～2.0×10^-4mbar，濺射速率為0.2～0.5nm/s。

更進(jìn)一步地，上述CoFeB合金薄膜采用磁控濺射法制備得到，其中，背底真空為小于10^-8mbar，濺射氣體為氬氣，濺射氣壓為1.5×10^-4～2.0×10^-4mbar，濺射速率為0.2～0.5nm/s。

進(jìn)一步地，所述保護(hù)層為對氧氣不敏感的金屬薄膜，具體為Ta、Ru、Pt或Pd等。

進(jìn)一步地，所述單極磁頭為常規(guī)的硬盤寫入磁頭。

一種自偏置的自旋波波導(dǎo)的制備方法，包括以下步驟：

步驟1：先后采用丙酮、乙醇和去離子水對基片進(jìn)行清洗，清洗后置于氮?dú)鈿夥障赂稍铮?/p>

步驟2：將步驟1清洗干燥后的基片放置于磁控濺射設(shè)備真空腔中，采用磁控濺射法在基片表面沉積永磁薄膜，其中，背底真空為小于10^-8mbar，濺射氣體為氬氣，濺射氣壓為6×10^-4～8×10^-4mbar；

步驟3：采用常規(guī)磁控濺射法在步驟2得到的永磁薄膜上沉積絕緣介質(zhì)薄膜；

步驟4：采用磁控濺射法在步驟3得到的絕緣介質(zhì)薄膜上沉積軟磁合金薄膜，其中，背底真空為小于10^-8mbar，濺射氣體為氬氣，濺射氣壓為1.5×10^-4～2.0×10^-4mbar，濺射速率為0.2～0.5nm/s；

步驟5：在步驟4得到的軟磁薄膜上沉積防氧化的保護(hù)層，得到多層薄膜結(jié)構(gòu)，如圖1所示；

步驟6：將步驟5得到的多層薄膜結(jié)構(gòu)置于飽和磁化磁場中，對多層薄膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行飽和磁化，其中，磁場的方向垂直于膜面；

步驟7：沿傳播自旋波通道處采用單極磁頭的寫入磁場局域翻轉(zhuǎn)永磁薄膜的磁化方向，形成DE模式自旋波的傳播通道，即可得到自偏置的自旋波波導(dǎo)。

進(jìn)一步地，所述永磁薄膜是指利用界面效應(yīng)形成的具有垂直各向異性的薄膜，該永磁薄膜中包含Co/Ni薄膜、Co/Pd薄膜、Co/Pt薄膜或Fe/Pt薄膜中的至少一種，其厚度為10～20nm，其具體的層數(shù)根據(jù)傳播自旋波的頻率決定。

進(jìn)一步地，所述絕緣介質(zhì)薄膜為電阻率大于1010Ω.cm的絕緣介質(zhì)形成的薄膜，具體為SiO₂等。

進(jìn)一步地，所述軟磁薄膜為低阻尼系數(shù)(阻尼系數(shù)小于2×10^-3)的合金形成的薄膜，具體為NiFe合金、CoFeB合金等。

本發(fā)明的有益效果為：

1、本發(fā)明自偏置的自旋波波導(dǎo)采用垂直各向異性的永磁薄膜與軟磁薄膜(合金薄膜)形成交換-彈性(exchange-spring)結(jié)構(gòu)，由于永磁薄膜上下磁疇形成的磁通使軟磁薄膜中的磁矩沿磁通方向整齊排布，這樣，在沒有偏置磁場的情況下就能形成自旋波波導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)了自旋波波導(dǎo)的自偏置；其自偏置場的大小可通過永磁材料的種類及厚度調(diào)節(jié)，有利于實(shí)現(xiàn)集成化的自旋波波導(dǎo)，為集成自旋波器件的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

2、本發(fā)明自偏置的自旋波波導(dǎo)中永磁薄膜的翻轉(zhuǎn)區(qū)域可采用單極磁頭選擇，可實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)的自旋波波導(dǎo)(即自旋波波導(dǎo)傳播的路徑可變)的制備，易于實(shí)現(xiàn)自旋波波導(dǎo)的轉(zhuǎn)角，使自旋波器件應(yīng)用系統(tǒng)更加緊湊。

3、本發(fā)明自偏置的自旋波波導(dǎo)的制備過程中無需采用光刻工藝，方法簡單，成本低。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的自偏置的自旋波波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明提供的自偏置的自旋波波導(dǎo)的制備流程示意圖；

圖3為本發(fā)明提供的自偏置的自旋波波導(dǎo)形成的原理圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，詳述本發(fā)明的技術(shù)方案。

實(shí)施例

一種自偏置的自旋波波導(dǎo)的制備方法，包括以下步驟：

步驟1：先后采用丙酮、乙醇和去離子水對Si(100)基片進(jìn)行清洗，清洗后置于氮?dú)鈿夥障赂稍铮?/p>

步驟2：將步驟1清洗干燥后的Si基片放置于磁控濺射設(shè)備真空腔中，當(dāng)背底真空小于10^-8mbar后，向真空腔內(nèi)通入5N級工作氬氣，調(diào)節(jié)氬氣的流量使工作氣壓保持在8.0×10^-4mbar，采用磁控濺射法在基片表面依次沉積Ta(5nm)/Pd(3nm)/[Co(0.5nm)/Pd(1nm)]₅(5代表Co/Pd薄膜的重復(fù)周期為5次)，得到厚度為15.5nm的永磁薄膜；

步驟3：采用常規(guī)磁控濺射法在步驟2得到的永磁薄膜上沉積1nm厚的SiO₂絕緣介質(zhì)薄膜；其中，背底真空為小于10^-8mbar，濺射氣體為5N級氬氣，濺射氣壓為8×10^-4mbar；

步驟4：采用磁控濺射法在步驟3得到的絕緣介質(zhì)薄膜上沉積20nm厚的NiFe合金薄膜(NiFe合金中鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為81％，鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為19％)；其中，背底真空為小于10^-8mbar，濺射氣體為5N級氬氣，濺射氣壓為2.0×10^-4mbar，調(diào)節(jié)靶基距，使濺射速率為0.2nm/s；

步驟5：在步驟4得到的合金薄膜上磁控濺射2nm厚的Pt保護(hù)膜，形成如圖1所示的多層薄膜結(jié)構(gòu)；其中，濺射條件為：背底真空為小于10^-8mbar，濺射氣體為5N級氬氣，濺射氣壓為8×10^-4mbar；

步驟6：將步驟5得到的多層薄膜結(jié)構(gòu)從真空腔中取出，然后放入大小為2T、方向?yàn)榇怪庇谀っ娴拇艌鲋斜３?0min，使多層薄膜結(jié)構(gòu)飽和磁化；

步驟7：在多層薄膜結(jié)構(gòu)上選定自旋波波導(dǎo)的位置，采用單極磁頭的寫入磁場局域翻轉(zhuǎn)永磁薄膜的磁化方向，形成DE模式自旋波的傳播通道，即可得到自偏置的自旋波波導(dǎo)。

采用微磁學(xué)仿真對實(shí)施例得到的多層薄膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，仿真參數(shù)如下：軟磁薄膜為NiFe合金，其飽和磁化強(qiáng)度Ms＝8×10⁵A/m，各向異性常數(shù)k＝0J/m³，交換常數(shù)A＝13pJ/m；永磁薄膜的飽和磁化強(qiáng)度Ms＝3.7×10⁵A/m，各向異性常數(shù)k＝6.3×10⁵J/m³，交換常數(shù)為A＝6pJ/m；軟磁薄膜與永磁薄膜之間的交換常數(shù)A＝9.5pJ/m。仿真結(jié)果如圖3所示，從圖中可以看出由于永磁薄膜與軟磁薄膜之間的交換彈性作用，使得圖中的虛線方框區(qū)域的磁矩沿同一方向整齊排列，若傳播自旋波的波矢沿磁矩垂直方向，則形成為傳播DE模式的自旋波波導(dǎo)。