《新一代高轉化效率自旋發電機研究》是依託蘭州大學，由范小龍擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：新一代高轉化效率自旋發電機研究
- 依託單位：蘭州大學
- 項目負責人：范小龍
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
自旋發電機是一種通過自旋進動將動態微波轉化為靜態直流電的新型自旋電子學器件。由於直流電信號檢測的方便和高精度，自旋發電機在自旋動力學和近場微波成像研究中具有得天獨厚的優勢。本項目圍繞提高自旋發電機的轉化效率這一關鍵科學問題，採用具有高磁電阻效應的磁性複合材料，同時引入激發自旋進動的新機制即由自旋極化電流產生的自旋轉矩效應，開發具有高轉化效率的新一代自旋發電機。擬採用磁性多層膜製備與後期微加工工藝，將基於巨磁電阻和隧穿磁電阻效應的磁性複合材料與共面波導有機結合，製備不同系列的自旋發電機器件。重點研究（1）磁性複合材料的磁電阻性能對器件輸出信號的影響；（2）由自旋轉矩引起的自旋動力學以及相應的自旋整流效應的機制。該研究不僅可以大幅度提高自旋發電機性能，推動其在自旋動力學與微波成像方面的套用，而且可以深刻認識和理解多層複合磁性材料中自旋動力學行為與相應的自旋整流效應物理機制。
結題摘要
自旋發電機可以通過自旋的進動，將動態電磁波轉化為直流電信號，是最近十年間發展起來的基於磁性材料的新型自旋電子學器件，目前已被廣泛套用於自旋動力學和近場微波成像的研究中。本項目的核心，就是以科研和實際套用的需求為導向，從兩個不同的方面入手開發新一代的自旋發電機器件。（1）採用具有更高磁電阻性能的磁性複合材料的自旋發電機器件，目的是增大器件的輸出信號，提高電磁波能量的轉化效率，從器件性能最佳化的角度推動自旋發電機的套用前景；（2）提出了不同於傳統磁電阻機制的自旋發電機原理，並開發出相應的新原理器件，目的是推廣自旋發電機在磁性材料研究中的套用。在這兩方面重要的研究結果有： （1） 研製了基於隧穿磁電阻效應的高轉化效率自旋發電機，其轉化效率可以達到10毫伏每瓦特。對於老一代基於各向異性磁電阻效應的自旋發電機，其平均轉化效率只有10微伏每瓦特。所以，採用高磁電阻效應的複合磁性材料之後，自旋發電機的轉化效率可以提高3個量級。尤其是MgO絕緣層厚度為14埃的CoFeB隧道結，由於具有非常大的隧穿磁電阻~200%，在20dBm（等於0.1 瓦特）的微波功率下我們獲得了強度為3毫伏的輸出信號。 （2） 提出了基於反常霍爾效應的自旋整流新機制，同時實現了相應的新型自旋發電機器件。自旋發電機的原理是自旋整流效應，即通過動態磁化強度和動態電流間的非線性耦合，將動態電磁波轉化為直流電信號。我們從廣義歐姆定律和整流效應的基本原理和公式出發，建立了反常霍爾效應的整流理論，並製備了基於此效應的自旋發電機器件。並基於以上工作，實現了微波磁場矢量探測的新途徑。 （3）將自旋發電機的基本原理，即自旋整流效應成功推廣到磁性材料的研究中。我們一方面簡化了自旋整流的測試方法，另一方面從原理上擴充了可實現自旋整流的磁性材料體系，已經形成了一套簡單、快速研究磁性材料的研究方法。目前，基於此原理實現了金屬磁性薄膜材料動態磁性參數的快速表征，鐵磁薄膜共振線寬的起源，鐵電鐵磁多場耦合效應的測量，CoZr納米晶薄膜中反常霍爾效應的本質等研究工作。 以上主要研究成果都已發表在套用物理領域具有權威的國際期刊上，目前已經出版的論文有：Applied Physics Letters 3篇，Journal of Applied Physics 2篇。此外還有3篇論文已經確認接收，將於最近陸續發表出來。
