[論文レビュー] Spin-thermo-electronic oscillator based on inverse giant magnetoresistance

A. M. Kadigrobov, Sean B. Andersson+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2011

Quantum and electron transport phenomena参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、交換スプリング自由層を有する逆巨磁抵抗（GMR）スピンバルブを用いたスピン熱電子（STE）オシレーターを提案する。ジュール加熱によりS字型の電流-電圧特性が発生する。このバルブを共振回路にコンデンサと組み合わせることで、静電容量によって制御可能な自己駆動型周波数可変オシレーターが実現され、DC近辺からGHz帯まで周波数を制御可能であり、インダクタ型設計に比べて小型化が可能である。

ABSTRACT

A spin-thermo-electronic valve with the free layer of exchange-spring type and inverse magnetoresistance is investigated. The structure has S-shaped current-voltage characteristics and can exhibit spontaneous oscillations when integrated with a conventional capacitor within a resonator circuit. The frequency of the oscillations can be controlled from essentially dc to the GHz range by the circuit capacitance.

研究の動機と目的

• 逆GMRを用いた小型で周波数可変のスピン熱電子オシレーターの開発。S字型I-V特性を有する。
• 従来のSTEオシレーターで使用される大型インダクタを、静電容量ベースの共振器に置き換え、フットプリントの低減を図る。
• 微調整可能な磁気異方性とS字型I-V特性を有する逆GMRスピンバルブを実現するための材料積層構造とプロセスの提示。
• ジュール加熱が電流制御磁気スイッチングとS字型I-V特性を可能にするメカニズムの分析。
• 負微分抵抗を介して自発的オシレーションを示すパラメータ領域の特定。

提案手法

• 交換結合を介した弱い強磁性スパーサ層（FM1）を介して結合された三層強磁性ナノピラー（FM0/FM1/FM2）を用いる。FM0は固定層、FM2は回転可能自由層である。
• 温度が臨界温度 $T_{c}^{\text{or}}$ 以上に上昇すると、熱的効果および磁場の影響でFM2の磁化がFM0に対して平行から反平行に傾く。
• ジュール加熱と温度依存磁気異方性の相互作用により、電流-電圧特性（IVC）がS字型に変化し、負微分抵抗を示す。
• S字型IVCは、コンデンサと並列に接続された場合、共振LC型回路を形成し、自発的オシレーションを可能にする。
• 周波数は静電容量を変化させることで調整可能であり、DC近辺からGHz帯までカバー可能である。
• 磁気スパッタリングを用いて実用的な材料積層構造（CoFe/NiFe/NiCu/CoFe/NiFe/IrMn）を形成し、磁場と加熱処理により異なる降伏力を持つ強磁性層の反平行整列を実現した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ジュール加熱による磁気スイッチングによって、交換スプリング自由層を有する逆GMRスピンバルブがS字型I-V特性を示すか？
• RQ2 S字型IVCは、共振回路にコンデンサを接続した場合、どのように自己駆動型オシレーションを可能にするか？
• RQ3 オシレータ周波数をDC近辺からGHz帯まで調整可能な静電容量の範囲は何か？
• RQ4 信頼性の高い磁気異方性可変性とS字型IVCを有する逆GMRスピンバルブを実現するための材料積層構造とプロセスは何か？
• RQ5 磁気再配列相転移の臨界温度 $T_{c}^{\text{or}}$ は、外部磁場および材料パrameterにどのように依存するか？

主な発見

• ジュール加熱により逆GMRスピンバルブはS字型I-V特性を示し、オシレーターに不可欠な負微分抵抗を発現する。
• 静電容量を調整することで、周波数をDC近辺からGHz帯まで可変可能であり、1 GHz動作には理論的静電容量 $C \sim 10^{-11}$ Fが必要である。
• インダクタ型STEオシレーターと比較して、フットプリントが10,000倍小さくなる。静電容量ベースの設計はマイクロメータスケールの部品で実現可能である。
• 磁気再配列相転移の臨界温度 $T_{c}^{\text{or}}$ は、$D(H,T_{c}^{\text{or}}) = 1$ の条件で決定され、$D$ は層厚、磁気モーメント、交換結合に依存する。
• 実用的な材料積層構造（CoFe/NiFe/NiCu/CoFe/NiFe/IrMn）をフィールド-ヒート処理を経て正常に作製し、逆磁気抵抗が確認された。これにより、設計の実現可能性が裏付けられた。
• 同等のインダクタ型設計における推定インダクタンスは $\sim 10^{-7}$ Hであり、ミリメータスケールの面積を要するが、静電容量ベースの設計は10 μm × 10 μmのフットプリントで収まる。