[论文解读] 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 79

一句话总结

该论文提出了一种基于自由层磁化方向倾斜的磁性隧道结的纳米尺度自旋电子二极管（NSD），可在无外部偏置条件下将宽带微波能量（100 MHz–1.2 GHz）整流为近乎恒定的直流电压。该器件通过弱射频电流驱动的大振幅磁化进动实现整流，可在室温下高效收集能量，并成功为黑磷光电探测器供电，展示了其在自供能纳米系统中的应用潜力。

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.

研究动机与目标

• 开发一种用于环境微波辐射的无偏置、纳米尺度能量收集器。
• 克服谐振型自旋电子二极管在实际射频能量收集中带宽受限的缺陷。
• 通过设计磁各向异性，实现在宽频率范围内的高效整流。
• 验证该器件为低功耗纳米电子元件供电的能力。

提出的方法

• NSD通过将Co20Fe60B20自由层与MgO隧道势垒构成的磁性隧道结（MTJ）加工成椭圆形纳米柱而制备。
• 通过调节垂直磁各向异性（PMA）和临界PMA厚度附近的二阶各向异性，使自由层在平衡状态下具有倾斜的磁化方向。
• 通过偏置耦合器施加微波能量，并使用纳伏表测量产生的直流整流电压。
• 该器件在无外部磁场或直流偏置条件下运行，依赖于自旋极化电流诱导的本征磁化进动。
• 通过微磁模拟和自旋转移力矩-傅里叶变换微波反射测量（ST-FMR）确认了倾斜各向异性和进动动力学。
• 在阻抗不匹配条件下，通过比较直流输出电压与射频输入功率来评估整流效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有自由层倾斜磁化的自旋电子二极管是否可在无外部偏置条件下实现超宽带微波能量整流？
• RQ2 设计的磁各向异性在实现大振幅进动及宽频带高效整流中起到何种作用？
• RQ3 在无磁场或直流偏置条件下，整流后的直流电压如何随射频频率和功率变化？
• RQ4 NSD是否能产生足够高的直流电压以驱动如黑磷光电探测器等低功耗纳米器件？
• RQ5 在低功率射频条件下，NSD的效率与传统肖特基二极管相比如何？

主要发现

• NSD在100 MHz至1.2 GHz频率范围内产生近乎恒定的直流电压，最大整流电压为0.65 mV（在10 µW射频输入功率下）。
• 器件表现出93%的隧道磁阻（TMR）比，零场下平衡磁化角为53°，证实了倾斜结构的存在。
• 通过自由层中设计的倾斜磁各向异性，实现了无需外部磁场或直流偏置的超宽带整流。
• NSD成功为黑磷光电探测器供电，证明其在自供能纳米系统中的可行性。
• 在3.2 µW射频输入功率下，NSD的整流效率达到0.005%，若优化电阻振荡，效率可提升至1.1%。
• 理论预测表明，若TMR比进一步提高（如>600%），NSD的效率有望超越当前的肖特基二极管。