[논문 리뷰] Spintronic nano-scale harvester of broadband microwave energy

Bin Fang, Mario Carpentieri외 16명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 01.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 53인용 수 79

한 줄 요약

이 논문은 외부 편향 없이 광역 주파수 대역의 마이크로파 에너지(100 MHz–1.2 GHz)를 거의 일정한 일정 전압으로 정류하는 나노스케일 스핀트로닉 다이오드(NSD)를 제안한다. 이는 자유층의 자화가 기울어진 자기터널접합(MTJ) 기반으로, 약한 고주파 전류에 의해 큰 진폭의 자화 진동을 유도함으로써 실온에서 효율적인 에너지 수확을 가능하게 한다. 이는 블랙 포스포러스 광검출기를 성공적으로 구동시켜 자가 공급 가능한 나노시스템의 잠재력을 입증한다.

ABSTRACT

The harvesting of ambient radio-frequency (RF) energy is an attractive and clean way to realize the idea of self-powered electronics. Here we present a design for a microwave energy harvester based on a nanoscale spintronic diode (NSD). This diode contains a magnetic tunnel junction with a canted magnetization of the free layer, and can convert RF energy over the frequency range from 100 MHz to 1.2 GHz into DC electric voltage. An attractive property of the developed NSD is the generation of an almost constant DC voltage in a wide range of frequencies of the external RF signals. We further show that the developed NSD provides sufficient DC voltage to power a low-power nanodevice - a black phosphorus photo-sensor. Our results demonstrate that the developed NSD could pave the way for using spintronic detectors as building blocks for self-powered nano-systems, such as implantable biomedical devices, wireless sensors, and portable electronics.

연구 동기 및 목표

• 주변 마이크로파 복사에 대한 외부 편향이 없는 나노스케일 에너지 수확 장치를 개발하기 위해.
• 실용적인 RF 에너지 수확을 위해 공진형 스핀트로닉 다이오드의 좁은 대역 제한성을 극복하기 위해.
• 공학된 자기이방성으로 넓은 주파수 대역에서 효율적인 정류를 실현하기 위해.
• 저전력 나노전자 부품을 구동할 수 있는 장치의 능력을 검증하기 위해.

제안 방법

• NSD는 Co20Fe60B20 자유층과 MgO 터널 장벽을 갖는 자기터널접합(MTJ)으로 제작되었으며, 타원형 나노피라미드 형태로 패턴화되었다.
• 자유층은 PMA(수직 자기이방성)와 임계 두께 근처에서의 두 번째 순서 이방성 조절을 통해 기울어진 평형 자화를 갖도록 공학되었다.
• 마이크로파 에너지는 바이어스 티를 통해 공급되며, 해당하는 일정 전압은 나노볼트미터로 측정되었다.
• 장치는 외부 자기장 또는 일정 전류 편향 없이 작동하며, 내재된 스핀 분류 전류에 의해 유도된 자화 진동에 의존한다.
• 마이크로자기 시뮬레이션과 ST-FMR 측정을 통해 기울어진 이방성과 진동 역학을 확인하였다.
• 임피던스 불일치 조건 하에서 일정 전압 출력과 고주파 입력 전력 간의 비교를 통해 정류 효율을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자유층에서 기울어진 자화를 갖는 스핀트로닉 다이오드가 외부 편향 없이 광역 주파수 마이크로파 에너지를 정류할 수 있는가?
• RQ2 공학된 자기이방성이 넓은 주파수 대역에서 큰 진폭의 진동과 효율적인 정류를 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 자기장이나 일정 전류 편향 없이 정류된 일정 전압은 고주파수와 전력에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 NSD는 블랙 포스포러스 광검출기와 같은 저전력 나노소자를 구동할 수 있는 정도의 일정 전압을 생성할 수 있는가?
• RQ5 저전력 고주파 조건에서 기존의 쇼트키 다이오드와 비교해 NSD의 효율은 어떻게 되는가?

주요 결과

• NSD는 100 MHz에서 1.2 GHz 주파수 범위에서 거의 일정한 일정 전압을 생성하며, 10 µW 고주파 입력 전력에서 최대 0.65 mV의 정류 전압을 기록했다.
• 장치는 93%의 터널 자화저항비(TMR) 비율과 외부 자기장이 없는 조건에서 53°의 평형 자화 각도를 보이며 기울어진 구조를 확인하였다.
• 외부 자기장이나 일정 전류 편향 없이도 공학된 기울어진 자기이방성 덕분에 광역 주파수 정류가 실현되었다.
• NSD는 블랙 포스포러스 광검출기를 성공적으로 구동시켜 자가 공급 가능한 나노시스템의 실현 가능성을 입증하였다.
• 3.2 µW 고주파 입력 전력 조건에서 NSD는 0.005%의 정류 효율을 기록했으며, 저항 진동 최적화 시 1.1%까지 향상될 수 있다.
• 이론적 예측에 따르면 TMR 비율을 향상시켜(예: >600%) NSD는 현재의 쇼트키 다이오드를 능가하는 효율을 달성할 수 있다.