[論文レビュー] Spintronic nano-scale harvester of broadband microwave energy

Bin Fang, Mario Carpentieri+16 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2018

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 53被引用数 79

ひとこと要約

本論文は、傾いた自由層磁化を有する磁気トンネル接合を用いたナノスケールスピントロニクスダイオード（NSD）を提案する。このデバイスは外部バイアスを必要とせず、広帯域のマイクロ波エネルギー（100 MHz–1.2 GHz）をほぼ一定の直流電圧に整流する。整流は、弱いRF電流によって駆動される大振幅の磁化プリセッションによって実現され、室温でも効率的なエネルギー収集が可能であり、ブラックホワイトフォスファライト光検出器を正常に駆動することに成功した。これは、自己駆動型ナノシステムへの応用可能性を示している。

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.

研究の動機と目的

• 環境中のマイクロ波放射を対象としたバイアスフリーでナノスケールのエネルギー収集素子を開発すること。
• 実用的なRFエネルギー収集に向け、共鳴型スピントロニクスダイオードの狭帯域制限を克服すること。
• 設計された磁気異方性を用いて広帯域で効率的な整流を実現すること。
• 低消費電力ナノエレクトロニクス素子を駆動できる能力を実証すること。

提案手法

• NSDは、Co20Fe60B20自由層とMgOトンネルバリアを有する磁気トンネル接合（MTJ）として作製され、楕円形ナノピラーにパターニングされている。
• 自由層は、垂直磁気異方性（PMA）と二次異方性を、PMAの臨界厚さ近辺で調整することにより、平衡状態で傾いた磁化を実現している。
• マイクロ波エネルギーはバイアステーを介して印加され、それに伴う直流整流電圧はナノボルトメータで測定されている。
• 外部磁場やDCバイアスを一切使用せず、内在的なスピン偏極電流による磁化プリセッションに依存して動作している。
• ミクロ磁気シミュレーションとST-FMR測定を用いて、斜め異方性およびプリセッションダイナミクスを確認している。
• インピーダンス不一致条件下での直流出力電圧とRF入力電力の比較により、整流効率を評価している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自由層に傾いた磁化を有するスピントロニクスダイオードが、外部バイアスなしで広帯域マイクロ波エネルギーを整流できるか。
• RQ2 設計された磁気異方性が、広帯域で大振幅プリセッションを生じさせ、効率的な整流を可能にする役割は何か。
• RQ3 外部磁場やDCバイアスなしで、整流された直流電圧がRF周波数および入力電力にどのように依存するか。
• RQ4 NSDがブラックホワイトフォスファライト光検出器のような低消費電力ナノデバイスを駆動するのに十分な直流電圧を生成できるか。
• RQ5 低電力RF条件下で、NSDの効率が従来のショットキーダイオードと比較してどうなるか。

主な発見

• NSDは100 MHzから1.2 GHzの周波数範囲でほぼ一定の直流電圧を発生し、RF入力電力10 µWで最大0.65 mVの整流電圧を達成した。
• デバイスは93%のトンネル磁気抵抗（TMR）比を示し、ゼロ磁場下で53°の平衡磁化角を確認しており、傾いた構成が裏付けられた。
• 外部磁場やDCバイアスなしで広帯域整流が実現され、自由層における設計された斜め磁気異方性がその要因である。
• NSDはブラックホワイトフォスファライト光検出器を正常に駆動し、自己駆動型ナノシステムへの実用可能性を示した。
• RF入力電力3.2 µWで整流効率は0.005%に達したが、抵抗の振動を最適化すれば1.1%まで向上可能である。
• 理論的予測によれば、TMR比を高め（例：600%以上）、効率を向上させれば、NSDは現在のショットキーダイオードを凌駆する可能性がある。