BRPI0618122A2 - oscilador de radiofrequência - Google Patents
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Abstract
<b>OSCILADOR DE RADIOFREQUêNCIA<d> A presente invenção refere-se a um oscilador de radiofrequência, o qual inclui um dispositivo magneto resistivo, no qual escoa uma corrente elétrica polarizada por spin. O dispositivo compreende uma pilha de pelo menos: uma primeira denominada corrente magnética "ancorada" (1) tendo uma primeira direção de magnetização; uma segunda camada magnética (2); e uma terceira camada não magnética (3) inserida entre as duas camadas mencionadas acima, intencionada para garantir desacoplamento magnético das ditas camadas. O oscilador também compreende meios de provocar um fluxo de elétrons nas ditas camadas, perpendicular a essas camadas, e, se aplicável, de aplicar um campo magnético externo à estrutura. A segunda camada magnética (2) tem um fator de amortecimento de excitação pelo menos 10% maior do que o amortecimento medido em uma camada simples do mesmo material, tendo a mesma geometria para excitação magnética, tendo comprimentos de onda iguais ou menores à extensão do cone ou cilindro de corrente, que escoa pela pilha que constitui o dispositivo magneto resistivo.
Description
OSCILADOR DE RADIOFREQÜÊNCIA
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
A presente invenção se refere ao campo de osciladoresde radiofreqüência, que usam tecnologia de sistema de filmefino magnético.
Esses osciladores de radiofreqüência são intencionadospara operar no espectro de freqüência de substancialmenteGHz ou ligeiramente GHz a várias dúzias de GHz.
A invenção tem uma aplicação particular no campo dastelecomunicações, especialmente nas comunicações móveis.
DESCRIÇÃO DA TÉCNICA ANTERIOR
0 recente crescimento espetacular nos telefones móveis(telefones celulares, telefones portáteis) tem encorajadoprofissionais nesse campo para continuar a oferecer aindamais produtos e serviços. Mais especialmente, a chegada damultimídia inspirou esses profissionais a integrar váriasaplicações em telefones móveis. Essas novas aplicaçõesrequerem conectividade múltipla à rede celular, além deconectividade a Redes de Áreas Pessoais Sem Fio (WPAN). ABluetooth é um exemplo dessa tecnologia que tem sido usadacomo uma base para um novo padrão IEEE 802.15.Sendo assim, conseqüentemente e para estar de acordocom os vários padrões, a eletrônica desses novos produtosdeve ser capaz de operar por uma gama extremamente ampla debandas de freqüência. Por meio de exemplo, as seguintesdiferentes faixas de bandas de freqüência são encontradasentre aquelas usadas em telecomunicações:
<table>table see original document page 3</column></row><table>
W-CDMA: Acesso Múltiplo por Divisão de Código de Acesso
GPS: Sistema de Posicionamento Global
UWB: Banda Ultra Larga
802.11 a/g: Sistema para rede sem fio
RFID: Identificação de radiofreqüência (especialmente,etiquetas)
Como é conhecido, o desempenho elétrico de receptores,tanto em termos de sensibilidade quanto de seletividade ébasicamente ditado pelo sintetizador de freqüência, isto é,o dispositivo em sensores de radiofreqüência que é usadopara gerar a freqüência portadora do sinal. Para cobrir asvárias faixas de freqüência mencionadas acima, osdispositivos multibanda, multipadrão precisam usar umgrande número de osciladores de radiofreqüência.Os osciladores conhecidos incluem os ressoadores LC,que têm um coeficiente de qualidade ou fator de qualidade Q= f/LIf que é relativamente baixo (4 a 10 na banda defreqüência em questão). Os osciladores produzidos usandoesse ressoador têm um desempenho médio, especialmente emtermos de pureza espectral (instabilidade de fase). Alémdisso, a capacidade de sintonia de freqüência é obtida coma ajuda de capacitância (C) do tipo MOS e é baixa, uma vezque a variação de freqüência, que pode ser obtida, é daordem de 20% do valor da freqüência portadora.
Não apenas isso, as bandas de freqüência alocadas paratelecomunicações estão ficando crescentemente saturadas,comprometendo, desse modo, um conceito de alocação estáticapara as ditas bandas. Para solucionar esse problema desaturação, uma solução é fazer uso de alocação defreqüência dinâmica. Esse principio se baseia na capacidadede analisar o espectro de freqüência e, até ao que serefere a aplicação a telecomunicações de 1 GHz a 10 GHz,identificar as bandas de freqüência desocupadas, para queseja possível usá-las. Isso é referido como um sistema"radiooportunistico".
No entanto, para usar esse princípio de alocação defreqüência dinâmica, os dispositivos em questão, nesse casoos telefones móveis, devem ter osciladores de bandasextremamente largas e oferecerem desempenhos extremamentebons em termos de instabilidade de fase e, por conseguinte,um fator de alta qualidade. Esse requisito efetivamentegoverna os osciladores baseados em ressoadores LC, queenvolveria o uso de arquitetura cara, complexa.
Uma solução técnica capaz de satisfazer essesrequisitos pode usar osciladores de radiofreqüênciaspintrônicos. Desse modo, usando esses osciladores, épossível obter uma banda de freqüência ampla com um fatorde qualidade Q e uma capacidade de sintonia de freqüênciadireta, e, além do mais, usar uma arquitetura relativamentesimples.
A eletrônica de spin usa o spin de elétrons como umgrau adicional de liberdade, para gerar novos efeitos.
A polarização por spin de uma corrente elétrica é umaconseqüência da assimetria entre a difusão dos elétrons decondução do tipo "spin-up" (isto é, paralelos àmagnetização local) e aquela dos elétrons de condução dotipo "spin-down" (isto é, antiparalelos à magnetizaçãolocal) . Essa assimetria resulta em condutividadeassimétrica entre os dois canais de spin-up e spin-down e,por conseguinte, a polarização por spin líquida dacorrente.
Essa polarização por spin da corrente provocafenômenos magneto-resistivos em multicamadas magnéticas,tais como magneto-resistência gigante (Baibichi, M., Broto,J. M., Fert, A., Nguyen Van Dau, F., Petroff, F., Etienne,P., Creuzet, G., Friederch, A. e Chazelas, J., "Giantmagnetoresistance of (001)Fe/(001)Cr magneticsuperIattices", Phys. Rev.Lett. 61 (1988) 2472, ou magneto-resistência de túnel (Moodera, J. S., Kinder, I.R., Wong,T.M. e Meservey, R. "Large magnetoresistance at roomtemperature in ferromagnetic thin film tunnel junctions",Phys. Rev.Lett. 74 (1995) 3273-6).
Além disso, observou-se também que passando-se umacorrente polarizada por spin por um filme fino magnético,pode-se induzir a reversão da sua magnetização na ausênciade qualquer campo magnético externo (Katine, J.A., Albert,F.J., Buhrman, R.A., Myers, E. B. e Ralph, D.C., "Current-Driven Magnetization Reversal and Spin-Wave Excitations emCo/Cu/Co Pillars", Phys. Rev.Lett. 84, 3149 (2000).).
A corrente polarizada também pode gerar uma excitaçãomagnética sustentada, também referida como "oscilações"(Kiselev, S.I., Sankey, J.C., Krivorotov, I.N., Emley,N.C., Schoelkopf, R.J., Buhrman, R.A., e Ralph, D.C.,"Microwave oscillations of a nanomagnet driven by a spin-polarized current", Nature, 425, 380 (2003)).
Usando-se o efeito da geração de excitação magnéticasustentada em um dispositivo magneto-resistivo,possibilita-se converter esse efeito em modulação deresistência elétrica, que pode ser usada diretamente emcircuitos eletrônicos e, por conseguinte, é capaz de agirdiretamente no nivel de freqüência.O documento U.S. 5 695 864 descreve váriosdesenvolvimentos que usam o principio físico mencionadoacima. Descreve, em particular, a precessão da magnetizaçãode uma camada magnética, pela qual escoa uma correnteelétrica magnetizada por spin.
0 princípio físico usado vai ser descrito abaixo emdetalhes em relação à Figura 1. No contexto de umaestrutura magnética de três camadas, duas camadas (1 e 2)são separadas por uma camada não magnética (3) (o termo"não magnético" é considerado como significandodiamagnético ou paramagnético). Essa camada intermediária(3) é também chamada uma "espaçadora". A sua espessura ésuficientemente pequena para permitir a transmissão de umacorrente polarizada por spin e suficientemente grande paragarantir desacoplamento magnético entre as camadas (1 e 2)que separa.
A camada (1) é uma denominada camada ferromagnética"ancorada", no sentido de que tem uma direção demagnetização fixa. De um modo geral, essa camada (1) éacoplada a uma camada ferromagnética, cuja função é ancorara dita camada (1), de modo que a sua magnetização não sejarevertida, quando o conjunto é submetido a uma correnteelétrica. Essa camada (1) também pode ser constituída devárias camadas, como, por exemplo, as descritas noDocumento US-A-5 883 725, para construir uma denominadacamada "antiferromagnética sintética". Essa camada (1) échamada a "polarizadora". De fato, por causa da sua direçãode magnetização fixa, induz a polarização por spin dacorrente elétrica, que escoa por ela. Como já mencionado,em um material magnético, a condutividade dos elétrons quetêm spins paralelos à magnetização local (spin-up) édiferente daquela dos elétrons que tem spins opostos (spin-down). Desse modo, a reflexão e a transmissão na interfaceentre as duas camadas, tendo diferentes propriedadesmagnéticas, são fenômenos que dependem do spin. Os elétronsde condução que atingem a interface entre a camada (1) e aespaçadora (3) têm, em grande parte, um tipo de spin (up oudown), que depende da natureza dos materiais usados.
Para a camada (1) (polarizadora), seleciona-se ou umacamada ferromagnética de espessura suficiente, paragarantir uma polarização máxima da corrente, ou uma camada"antimagnética sintética" (SAF) de espessura adequada, paraatingir esse mesmo objetivo. Com uma geometria detransporte, que é perpendicular ao plano das camadas, éconhecido que o comprimento característico é o denominadocomprimento de difusão por spin (Valet, T., Fert. A.,"Theory of perpendicular magnetoresistance em magneticmultilayers", Phys.Rev.B 48, 7099 (1993)). 0 termo"espessura suficiente", em relação à camada de polarização,é portanto considerado como significando uma espessura queé suficientemente grande em relação ao seu comprimento dedifusão por spin (tipicamente, 5 nm em Ni8oFe2o àtemperatura ambiente). Obviamente, a camada de polarizaçãopode consistir de uma ou mais camadas (por exemplo, umcompósito laminado bicamada NiFe/CoFe ou multicamada(CoFelnm/CuO,3nm/CoFelnm), para encorajar a polarização dacorrente ou encurtar o comprimento de difusão por spin.
Se a espessura da espaçadora (3) for suficientementepequena, a polarização da corrente elétrica, que escoapelas camadas em ângulos retos, é quase que inteiramentepreservada, até que atinja a interface entre a espaçadora(3) e a camada (2) . Essa camada (2) é denominadamagneticamente uma camada "livre", por exemplo, a direçãoda sua magnetização pode ser facilmente alterada peloefeito de um campo externo fraco (tipicamente, uma camadafeita de ligas de Ni8oFe2cu Permalloy ou CoFe, ou formadapor associação de duas camadas, tais como NiFe/CoFe).
No nivel da interface entre a camada (2) e a camada(3) , a transferência por spin ocorre entre a correntepolarizada por spin e o momento magnético da camada (2) . Seesse e a direção de polarização por spin (conferida pelamagnetização da camada (1)) não são colineares, a correnteafeta a magnetização da camada (2) suficiente para fazê-lagirar (precessão) . 0 sinal do torque de transferência porspin depende da direção da corrente aplicada:
- se os elétrons de condução se movimentarem dapolarizadora (1) para a camada (2), o torque detransferência por spin vai orientar a magnetização da ditacamada (2) paralela àquela da camada (1); eem contraste, se os elétrons de condução semovimentarem da camada (2) para a polarizadora (1), o ditotorque vai orientar a camada de magnetização (2)antiparalela àquela da camada (1).
Demonstrou-se que, dependendo da amplitude da correnteou mesmo do campo magnético externo aplicado, dois efeitosdistintos podem ser detectados:
- primeiramente, a reversão da magnetização da camada(2); essa reversão pode ser histerética ou reversível,dependendo da amplitude da corrente ou mesmo do campomagnético externo; esse fenômeno também pode ser usado comoum meio de escrever as informações no contexto da produçãode memórias de acesso aleatório, também referidas comoMRAMs; e
também a excitação dos estados de precessãosustentados do momento magnético da camada (2) : esse é oefeito que é explorado dentro da estrutura da presenteinvenção.
Quando se considera a precessão sustentada do momentomagnético da camada (2), vários modos são revelados pormedidas de freqüência de microondas, dependendo, emparticular, da intensidade relativa da corrente elétricaaplicada:modo A: precessão de pequeno ângulo do tiporessonância magnética (FMR): esse modo de precessão ocorrepara correntes de intensidades relativamente fracas e écaracterizado por sinais tendo uma determinada freqüência,que não depende da corrente aplicada;
- modo B: precessão de grande ângulo: esse modo deprecessão ocorre se a corrente aplicada for aumentada acimade um certo limiar e é caracterizado por uma dependência defreqüência pronunciada na corrente aplicada; e
- modo C: ruido RTS de microondas para correntes deintensidades médias além de campos magnéticos fracos; osespectros medidos sob essas condições mostram picos deamplitude muito alta, muito amplos centralizados em tornode 1 GHz.
No contexto da presente invenção, os comportamentosexplorados são aqueles para os quais a freqüência deprecessão pode ser ajustada, ou por influência da correnteou, de preferência, por influência de ambas a corrente e ocampo magnético externo. Essas estruturas em nanoestruturassão integradas em conjuntos ou dispositivos magneto-resistivos. No caso de ambas a magneto-resistência gigante(GMR) em sistemas metálicos ou magneto-resistência em túnel(TMR) em junções de túnel metáli-cas - isolantesmagnéticas - metálicas, a precessão de magnetização resultana variação da resistência elétrica, medida quando umacorrente é aplicada em uma direção que é perpendicular aoplano das camadas (geometria CCP ou de CorrentePerpendicular ao Plano).
Sem precisar os detalhes que são considerados doconhecimento daqueles versados na técnica, as junções detúneis magnéticos referidas como TMRs ou MTJs, da formamais simples possível, consistem de duas camadas, sendopossível variar a orientação relativa da magnetizaçãodelas, e as camadas sendo separadas por uma camadaisolante.
Os dispositivos magneto-resistivos usados empregampilhas feitas de dois modos diferentes:
- as denominadas pilhas de "contato pontual" nas quaisas camadas ativas (camada 1, camada 2, camada 3) não sãodecapadas usando modelos nanométricos, ou se são, sãodepois fabricadas usando modelos muito grandes(aproximadamente μιη2) ; um contato metálico extremamenteestreito, tipicamente, 50 nm acima da camada (2), éproduzido por meio de uma nanoponta externa (por exemplo,ponta de um microscópio de força atômica) ou nanopontainterna (pilar impresso com tela); e
- as pilhas do tipo "pilar": todas as camadas sãodecapadas para fabricar um pilar, tendo um diâmetro daordem de 100 nm, para impedir a ocorrência de interaçãomagnetostática significativa entre as camadas (1) e (2), acamada (1) é deixada algumas vezes não decapada.Quando corrente é passada pelo primeiro tipo dedispositivo perpendicular ao plano das camadas, todas aslinhas de corrente convergem para o nanocontato (o contatopontual) e divergem para dentro da pilha em um cone, cujaforma depende da resistividade elétrica das várias camadas.No segundo caso, com uma geometria de pilar, a correnteescoa mais ou menos uniformemente por toda a seçãotransversal do pilar.
Demonstrou-se que com a ajuda de simulaçõesmicromagnéticas, o denominado método de "contato pontual" émais vantajoso para a fabricação de osciladores deradiofreqüência, na medida em que minimiza a ocorrência deexcitação incoerente produzida por efeitos de orla. AFigura 2 (pilar) e a Figura 3 (contato pontual) mostramesses dois tipos de pilhas.
Em relação a essas estruturas, o Documento FR 2 817999 mostra que quando a polarizadora (camada 1) émagnetizada, em uma direção que é perpendicular ao planodas camadas que constituem o dispositivo magneto-resistivo,e o momento da camada (2) é orientado em uma direçãoparalela às interfaces, a corrente critica requerida parainduzir a precessão da dita magnetização pode ser reduzida.
Embora, em um nivel teórico, os dispositivos magneto-resistivos assim descritos possibilitam a obtenção deimplementação de osciladores de radiofreqüência, quesatisfazem os requisitos de manufatura industrial (alocaçãode freqüência dinâmica de ampla faixa de freqüências épossível, com alto fator de qualidade (Q) , é não obstanteevidente que a qualidade efetiva desses dispositivosdepende da consistência da precessão de magnetização,produzida pela corrente elétrica que escoa pelas camadas.
0 termo "consistência de precessão magnética" denota ofato de que a magnetização é movida como uma unidade únicapor toda a extensão da folha de corrente pela estrutura(isto é, pela seção transversal do pilar com uma geometriade pilar e pela seção transversal do cone de corrente nonível da camada livre, se houver um nanocontato) , emcontraste com a produção de pequenas excitações múltiplas,que são inconsistentes.
Desse modo, uma maior consistência resulta em sinaisde oscilação de freqüência mais estreita e amplitude maisbaixa; é objeto dessa invenção propor um meio de aumentar aconsistência do movimento dinâmico da precessão demagnetização. Em virtude de uma redução na amplitude nãoser um efeito buscado depois, uma vez que a estreiteza decorrente tenha sido obtida, os esforços vão ser envidadospara reforçar a amplitude.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
A invenção se refere, portanto, a um oscilador deradiofreqüência, que inclui um dispositivo magneto-resistivo, no qual escoa uma corrente elétrica polarizadapor spin, o dito dispositivo compreendendo uma pilha depelo menos:
- uma primeira denominada camada magnética "ancorada"
tendo uma direção de magnetização fixa;
- uma segunda camada magnética; e
- uma camada não magnética inserida entre as duas
camadas mencionadas acima, intencionada para garantirdesacoplamento magnético das ditas camadas;
e um meio de provocar um fluxo de elétrons nas ditas camadas, perpendicular a essas camadas, e, se aplicável, deaplicar um campo magnético na estrutura.
De acordo com a invenção, a segunda camada magnéticatem um alto fator de amortecimento de excitação (pelo menos 10% maior do que o amortecimento medido em uma simplescamada do mesmo material tendo a mesma geometria) , paraexcitação magnética tendo comprimentos de onda iguais ouinferiores à extensão do cone ou cilindro de corrente, queescoa pela pilha, que constitui o dispositivo magneto-resistivo.
No resto dessa descrição, com o intuito de brevidade,o fator de amortecimento de excitação, também referido comoo "fator de amortecimento de Gilbert" vai ser simplesmentereferido como "amortecimento".
Em outras palavras, a dita segunda camada magnética éselecionada de modo que quando é submetida a uma correnteelétrica polarizada por spin pela camada ancorada, e, seaplicável, a um campo magnético externo aplicado, a suamagnetização precede de uma maneira sustentada,consistente.
Expresso de forma distinta, o objeto da invenção éinduzir a precessão da magnetização da dita segunda camada,também referida como a "camada livre", devido ao efeito dacorrente polarizada por spin da camada ancorada, que agecomo uma polarizadora, com dinâmicas de precessão que sãoas mais consistentes possíveis, isto é, a magnetização secomporta como um único objeto que gira como uma unidade, emvez de em conseqüência de pequenas excitações aleatóriasque desorganizam, localmente, a magnetização. Em termosabsolutos, o objetivo é garantir que a magnetização semantém se possível em domínio único (macrospin).
Sendo assim, as dinâmicas de magnetização da ditasegunda camada são mais consistentes do que aquelas de umacamada única, por exemplo, uma feita de cobalto, níquel ouferro, ou de uma liga desse dois metais, tendo a mesmageometria, a mesma configuração de magnetização e submetidaà corrente de spin sob as mesmas condições e, se aplicável,a um campo magnético externo.Vários métodos são usados para obter amortecimentosignificativo da segunda camada magnética, para excitaçãomagnética tendo um comprimento de onda igual ou inferior àextensão do cone ou cilindro, que passa pela pilha queconstitui o dispositivo magneto-resistivo. Qualquer meioque possibilite aumentar o fator de amortecimento deexcitação nas proporções mencionadas acima pode ser usadopara implementar a invenção. Os três meios básicos sãodescritos abaixo.
De acordo com uma primeira concretização da invenção,esse amortecimento é obtido por associação de uma camadaantiferromagnética com a dita segunda camada, essa camadaAFM sendo localizada na superfície da dita camada oposta àcamada espaçadora ou paramagnética. Esse acoplamentoaumenta o amortecimento de Gilbert. Além disso, a força derestauração exercida pelo acoplamento ferromagnético /antiferromagnético encoraja o movimento de magnetizaçãodinâmico consistente. Tipicamente, essa camadaantif erromagnética consiste de Ir2oMn8o/ tendo uma espessurade 3 a 10 nm, ou é feita de FeMn tendo uma espessura típicade 5 a 12 nm, ou PtMn tendo uma espessura típica de 8 a 30 nm.
Vantajosamente, essa camada antiferromagnética é umacamada à base de não óxido, metálica, para não conferir aresistência em série do pilar, que é parte das camadasempilhadas excessivamente.De acordo com uma segunda concretização da invenção,esse amortecimento é obtido por uso, para a dita segundacamada, de um material com uma alta constante de rigidez desubstituição. De fato, em virtude dos spins das forças deinteração de substituição permanecerem paralelos entre si,é difícil o desenvolvimento de uma excitação de comprimentode onda curto. Desse modo, o amortecimento de excitação decomprimento de onda curto é aumentado relativo aoamortecimento que seria obtido por uma camada tendo umamenor constante de substituição. Há uma certa relação entreessa constante, referida mais comumente como "rigidez desubstituição" e a temperatura Curie. São selecionados, depreferência, os materiais que são ricos em cobalto (porexemplo, ligas CoFe) e bem conhecidos por suas altastemperaturas Curie.
Também, pode-se aperfeiçoar a consistência deprecessão por uso de materiais magnéticos com um baixomomento magnético (por exemplo, as ligas CoFeB incorporandode 10 a 20% de boro são preferíveis às ligas CoFe com ummaior momento), que têm a vantagem de minimizar os efeitosda desuniformidade magnética associada com o forte campodesmagnetizante, que está presente nas orlas dodispositivo.
De acordo com uma terceira concretização da invenção,esse amortecimento é aumentado por adição de váriasimpurezas da série dos lantanídeos à dita segunda camadamagnética. Por meio de exemplo, essas impurezas podemconsistir de térbio em baixas proporções, tipicamente de0,01 a 2% (percentual atômico).
De acordo com a invenção, as ditas primeira e segundacamadas magnéticas são ancoradas em direções otimizadas,que podem ser localizadas no ou fora do plano das camadas.
A direção é otimizada de modo que a amplitude do movimentode precessão é tão grande quanto possível, para produzir umsinal RF tendo a maior amplitude possível. Essa otimizaçãopode ser orientada, por exemplo, por modelagem de macrospindinâmica, com base na equação de Landau - LifshitzGilbert, com a inclusão do termo de transferência de spinde Slonezewski, e depois pode ser ajustada experimentalmente.
De acordo com outra concretização da invenção, que ésimilar à segunda concretização mencionada acima, a ditasegunda camada magnética, cuja magnetização precede, não éacoplada a uma camada antiferromagnética adjacente, mas éassociada primeiramente com uma segunda camada magnética nainterface oposta, que com a primeira camada magnética edepois em segundo lugar, no outro lado dessa segundacamada, está associada com uma camada de polarização, cujafunção é similar àquela da primeira camada de polarização.Sendo assim, a magnetização da dita segunda camadamagnética é submetida aos efeitos de transferência de spindas duas camadas de polarização, e isso possibilitaaumentar a eficiência do fenômeno que provoca a precessãoda magnetização.
A direção da magnetização das duas camadas depolarização não é, de um modo geral, igual e pode ser mesmosubstancialmente antiparalela ou ortogonal (uma camada depolarização é substancialmente magnetizada em um plano e aoutra camada fica fora desse plano).
A invenção possibilita obter uma precessãoextremamente consistente da magnetização da camada (2), comfatores de qualidade superiores a 10.000 e, potencialmente,superiores a 20.000.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
O modo no qual a invenção é implementada e as suasvantagens resultantes vão ficar mais facilmente entendiveispelas descrições das concretizações apresentadas a seguir,dadas meramente por meio de exemplos, sendo feitareferência aos desenhos acompanhantes.
Como já mencionado a Figura 1 é um diagramaesquemático mostrando as camadas empilhadas de umdispositivo magneto-resistivo de acordo com a técnicaanterior.
As Figuras 2 e 3 mostram diferentes tipos deempilhamento dessas camadas.As Figuras 4 e 5 mostram esquematicamente duasconcretizações da invenção.
As Figuras 6a e 6b mostram o efeito benéfico produzidopela presente invenção nos espectros de excitação dasestruturas que são objeto dessa invenção. Desse modo, aFigura 6a mostra um espectro de excitação para as váriascorrentes escoando pela estrutura, a camada excitada sendouma camada de CoFe simples, de acordo com a técnicaanterior. A Figura 6b mostra o aperfeiçoamento na finezadas linhas de excitação, devido ao efeito da correntequando essa mesma camada de CoFe é moderadamente ancoradapor uma camada antiferromagnética de IrMn. A Figura 6bmostra a capacidade de sintonia da linha de excitação emfunção da corrente escoando pela estrutura.
DESCRIÇÃO DAS CONCRETIZAÇÕES PREFERIDAS
Para produzir o oscilador de radiofreqüência de acordocom a invenção, usa-se um dispositivo magneto-resistivo,consistindo de uma pilha do mesmo tipo daquela descrita emrelação às Figuras 2 e 3. Essa pilha é inserida entre doisfios de corrente, o contato deles com as duas camadasextremas da dita pilha sendo feito de cobre ou ouro.
A geometria dessa pilha vai ser caracterizada, emparticular, por sua largura ou por seu diâmetro, se forcilíndrico.A camada (1) dessa denominada pilha de "camadasancoradas" tem uma direção de magnetização fixa. Essacamada (1) pode ser uma camada relativamente espessa (daordem de 100 nm) , simples, feita de cobalto ou de uma ligaCoFe ou NiFe, por exemplo. A espessura dessa camada deveser da mesma grandeza ou superior ao comprimento de difusãodo spin do material do que é feita essa camada. Parareduzir esse comprimento de difusão de spin, essa camadapode ser também laminada por inserção de várias(tipicamente, 2 a 4) camadas extremamente finas de cobre,prata ou ouro, tendo uma espessura da ordem de 0,2 a 0,5nm. Essas camadas inseridas são suficientemente finas paragarantir um acoplamento de substituição pela camadalaminada, de modo que a ancoragem dessa camada se mantémforte.
A composição típica dessa camada ancorada laminadapode ser (CoFelnm/CuO, 3nm) 3/CoFelnm. Mas pode consistirtambém de uma camada antiferromagnética sintética (SAF) dotipo CoFe3nm/RuOO,7nm/CoFe2,5nm. A espessura do Ruselecionada é tipicamente de 0,6 nm a 1 nm, para garantirum forte acoplamento antiferromagnético entre as duascamadas de CoFe. Mais uma vez, das duas camadas queconstituem essa camada SAF, pelo menos a camada de CoFe,que vai ficar mais próxima à camada livre, pode serlaminada por inserção de camadas finas de Cu, para reduziro seu comprimento de difusão de spin. Além disso, em ambasessas configurações, a camada simples e a camada SAF podemser ancoradas por substituição com uma camadaantiferromagnética (4) (consultar as Figuras 4 e 5). Essacamada antif erromagnética pode ser constituída de Ir20Mn80,tendo uma espessura de 6 a 10 nm, ou Pt50Mn50, tendo umaespessura de 15 a 30 nm. Essa camada (1) preenchebasicamente uma função de polarização. Desse modo, oselétrons da corrente elétrica, que escoam pelas camadas queconstituem o dispositivo magneto-resistivo, perpendicularesaos seus planos, e são refletidos ou transmitidos pelapolarizadora, são polarizados com uma direção de spin, queé paralela à magnetização, tanto na camada (1), quanto nainterface oposta àquela que fica em contato com a camadaantiferromagnética (4).
Independentemente se é simples (Figura 5) ou sintética(Figura 4), essa camada (1) recebe, na sua superfície que éoposta àquela que recebe a camada antiferromagnética (4),outra camada (3), que funciona como uma espaçadora. Essacamada é metálica (tipicamente, uma camada de cobre de 5 a10 nm de espessura), ou consiste de uma camada isolantefina do tipo de óxido de alumínio (alumina, Al2O3),tipicamente, de uma espessura de 0,5 a 1,5 nm, ou do tipode óxido de magnésio (MgO), tipicamente de uma espessura de0,5a 3 nm.
Finalmente, a natureza da camada (2) pode variar. Aespessura dessa camada (2) é, de um modo geral, inferioràquela da camada (1).Pode consistir, primeiramente, de uma camada magnéticasimples tendo uma espessura comparável àquela da camada dereferência (5) da estrutura antiferromagnética sintética decamada ancorada (1).
De acordo com uma primeira concretização (Figura 5),essa camada (2) é acoplada com uma camadaantiferromagnética (6), montada separadamente na suasuperfície oposta à interface entre a camada (2) e aespaçadora (3). Essa camada antiferromagnética pode sertambém feita de um material selecionado do grupoconsistindo de Ir20Mn80, FeMn e PtMn. Essa camadaantiferromagnética vai alterar a liberdade relativa damagnetização da camada (2) . No entanto, por variação daespessura dessa camada antiferromagnética ou por introduçãode uma camada ultra fina de materiais não magnéticos, talcomo Cu ou Pt (da ordem de 0,1 a 0,5 nm de espessura aolongo da interface entre as camadas (2) e (6), pode-se,desse modo, garantir que o acoplamento produzido é maisfraco do que aquele da camada ancorada ou polarizadora (1),de modo que a magnetização da camada (2), não obstante,controla para preceder e o desacoplamento inerente nacamada antiferromagnética (6) ajuda a manter a ditamagnetização consistente.
Os estudos de otimização demonstram que mesmo ossinais, que correspondem a essa precessão, têm até 10 vezesmais potência do que aqueles que correspondem à mesmacamada sem a sua camada antiferromagnética associada. Esseaumento na potência do sinal é explicado peloaperfeiçoamento na consistência da precessão demagnetização da camada (2), devido à interação desubstituição pela interface com a camada antiferromagnéticaassociada (6) (consultar a Figura 6). Essa interação desubstituição exerce uma força de restauração uniforme naprecessão de magnetização, e, pela mesma consistência,encoraja o movimento de precessão da magnetização.Observou-se também que o acoplamento ferromagnético /antiferromagnético resulta em um maior amortecimento deGilbert (um aumento montando a quase +10% a +400% datemperatura de bloqueio da camada antiferromagnética) , eisso resulta em uma forte atenuação da excitação magnéticano sistema, ajudando, desse modo, a manter uma boaconsistência de magnetização.
Em outra variante da invenção, a dopagem na foram deimpurezas baseadas na série de lantanideos, especialmentetérbio, são introduzidas na camada (2), em uma proporção de0,01 a 2% (percentual atômico). Demonstrou-se que por essadopagem, pode-se aumentar o fator de amortecimento deexcitação, isto é, o "fator de amortecimento de Gilbert"(Russek et al. , Jorn. Appl. Phys. 91 (2002) 8659). Éimportante indicar o fator de amortecimento de Gilbert nãodeve ser aumentado em demasia, porque isso resultaria em umaumento excessivo na corrente critica que precisa serpassada pela estrutura, para gerar o movimento de precessãode magnetização sustentada. Um compromisso deve ser,portanto, violado - esse corresponde tipicamente aoamortecimento de Gilbert de 0,01 a 0,05.
Esse amortecimento moderado possibilita atenuar aexcitação de comprimento de onda curto, especialmenteaquele tendo comprimentos de onda mais curtos do que otamanho da pilha magneto-resistiva, e que é indesejávelporque quebra a consistência da precessão. Esseamortecimento é não obstante não tão forte de modo aresultar em valores excessivos (superiores a IO7 A/cm2),para gerar um movimento de precessão de magnetizaçãoconsistente.
Vantajosamente, além da incorporação dessas impurezas,pode-se também, como na primeira concretização descritaacima, associar a camada (2), dopada desse modo, com acamada antiferromagnética (6) descrita acima. Nesse caso,essa não apenas garante um maior amortecimento, mas tambémencoraja, como previamente, a consistência da precessão porcriação de uma força de restauração exercida namagnetização.
Vantajosamente, o material usado para a camada (2) temuma alta constante de rigidez de substituição. Para queisso seja obtido, usa-se metais do grupo 3D, maisespecialmente cobalto ou ligas ricas em cobalto. Aquelesversados na técnica vão também estar cientes de que acamada (2) pode consistir de várias camadasantiferromagnéticas, que ficam em contato direto entre si,tal como, por exemplo, bicamadas de NiFe/CoFe), que sãocomumente usadas em válvulas de spin.
Vantajosamente, pode-se também usar materiaismagnéticos com um baixo momento magnético (por exemplo,ligas CoFeB incorporando 10 a 20% de boro são preferíveisàs ligas CoFe com um maior momento) , que têm a vantagem deminimizar os efeitos da desuniformidade magnética associadacom o forte campo de desmagnetização, que está presente nasorlas do dispositivo.
Em outra variante da invenção, a camada (2), em vez deconsistir de uma simples camada antiferromagnética, podeconsistir, como a camada ancorada, de uma camadaantiferromagnética sintética (SAF), isto é, duas camadasferromagnéticas que são fortemente acopladasantiferromagneticamente por uma camada de espessura de 0,5a 1 nm de rutênio. Essa camada SAF (2) pode, por sua vez,ser ancorada moderadamente por uma camadaantiferromagnética.
Em outra variante da invenção, a camada (2) pode serancorada em qualquer direção relativa à magnetização dapolarizadora (1) e relativa ao plano das camadas, essadireção sendo selecionada para otimizar a amplitude domovimento de precessão da· magnetização da camada livre.Essa magnetização pode ser orientada, por exemplo, pormodelagem de macrospin dinâmica, com base na equação deLandau - Lifshitz - Gilbert, com a inclusão do termo detransferência de spin de Slonezewski (Slonezewski. J.,"Currents and torques in metallic magnetic multilayers", J.Magn. Magn. Mater. 159, LI (1996); "Excitation of spinwaves by an electric current", 195, L261 (1999), e depoisser ajustada experimentalmente. Para obter essa otimização,pode ser também necessário aplicar um campo magnéticoexterno adicional à estrutura. Esse campo pode ser depoisproduzido, por exemplo, por camadas de imãs permanentesposicionados em locais adequados em torno do pilar, nomesmo modo usado, por exemplo, para gerar um campo depolarização em cabeças de leitura magneto-resistivas, paraler as informações dos discos rígidos de computadores.
Também, de acordo com uma outra variante da invenção,se a dita segunda camada magnética, cuja magnetizaçãoprecede (camada simples ou SAF), não é acoplada a umacamada antiferromagnética adjacente, pode-se associá-la comuma segunda camada não magnética (segunda espaçadora) nainterface oposta àquela com a primeira camada nãomagnética, e depois, no outro lado dessa segunda camada,associá-la com uma camada de polarização, cuja função ésimilar àquela da primeira camada de polarização. Essasegunda camada ancorada, servindo como uma segundapolarizadora pode ser por ela mesma simples ou consistir deuma camada antiferromagnética sintética (SAF) e seracoplada a uma camada antiferromagnética, montadaseparadamente no lado oposto da interface entre essasegunda camada ancorada e a segunda espaçadora nãomagnética.Sendo assim, a magnetização da dita segunda camadamagnética é submetida aos efeitos de transferência de spindas duas camadas de polarização, e isso possibilitaaumentar a eficiência do fenômeno que provoca a precessãoda magnetização. A direção da magnetização das duas camadasde polarização não é, de um modo geral, a mesma e deve serotimizada, dependendo da natureza da camada cujamagnetização precede. Por exemplo, se a camada cujamagnetização processa for uma simples camada dopada, asdireções de magnetização das duas camadas de polarizaçãopodem ser substancialmente antiparalelas ou ortogonais (umacamada de polarização é substancialmente magnetizada em umplano e a outra camada é magnetizada fora desse plano).
Se a camada cuja magnetização precede for uma camadaSAF, as direções de magnetização das duas camadas depolarização podem ser substancialmente paralelas ouortogonais.
Por meio de exemplo para ilustrar os efeitos benéficosproporcionados pela presente invenção na estreiteza daslinhas de excitação (aumento no fator de qualidade), asFiguras 6a e 6b mostram as linhas de excitação obtidas parauma estrutura baseada na técnica anterior e uma estruturade acordo com a presente invenção. A Figura 6a mostra umespectro de excitação para várias correntes escoando pelaestrutura, a camada excitada sendo uma simples camada deCoFe, de acordo com a técnica anterior, inserida em umdispositivo do tipo mostrado na Figura 4, compreendendo umacamada sintética ancorada. A Figura 6b mostra oaperfeiçoamento muito marcante na fineza das linhas deexcitação, devido ao efeito da corrente quando a mesmacamada de CoFe é moderadamente ancorada por uma camadaantiferromagnética de IrMn. A Figura 6b também mostra acapacidade de sintonia da linha de excitação, em função dacorrente escoando pela estrutura.
Claims (16)
1. Oscilador de radiofreqüência, que inclui umdispositivo magneto-resistivo, no qual escoa uma correnteelétrica polarizada por spin, o dito dispositivocompreendendo uma pilha de pelo menos:- uma primeira denominada camada magnética "ancorada"(1) tendo uma direção de magnetização fixa;- uma segunda camada magnética (2); e- uma camada não magnética (3) inserida entre as duascamadas mencionadas acima, intencionada para funcionar comouma espaçadora e garantir desacoplamento magnético dasditas camadas;e meios de provocar um fluxo de elétrons nas ditas camadas,perpendicular a essas camadas, e, se aplicável, de aplicarum campo magnético (2) na estrutura,caracterizado pelo fato de que a segunda camada magnética(2) tem um alto fator de amortecimento de excitação pelomenos 10% maior do que o fator de amortecimento deexcitação, medido em uma camada simples do mesmo material,tendo a mesma geometria para excitação magnética, tendocomprimentos de onda iguais ou inferiores à extensão docone ou cilindro de corrente, que escoa pela pilha, queconstitui o dispositivo magneto-resistivo.
2. Oscilador de radiofreqüência de acordo com areivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a segundacamada magnética (2) consiste de uma simples camadaassociada com uma camada antiferromagnética (6), essa sendolocalizada na superfície da dita camada (2) oposta à camadamagnética (3), que funciona como uma espaçadora.
3. Oscilador de radiofreqüência de acordo com areivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o material,que constitui a camada antiferromagnética (6), éselecionado do grupo compreendendo as seguintes ligas:Ir2OMn8O, FeMn e PtMn.
4. Oscilador de radiofreqüência de acordo com areivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a segundacamada magnética (2) consiste de uma camadaantiferromagnética sintética.
5. Oscilador de radiofreqüência de acordo com areivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a segundacamada magnética (2) consiste de uma camadaantiferromagnética sintética ancorada por substituição.
6. Oscilador de radiofreqüência de acordo com areivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o material,que constitui a dita segunda camada magnética, é ummaterial com uma alta constante de rigidez de substituiçãoe uma alta temperatura Curie.
7. Oscilador de radiofreqüência de acordo com areivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a segundacamada magnética (2) é feita de materiais magnéticos com umbaixo momento magnético, especialmente, liga CoFeBincorporando 10 a 20% de boro.
8. Oscilador de radiofreqüência de acordo com qualqueruma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato deque a segunda camada magnética (2) é dopada com impurezas,especialmente impurezas à base da série de lantanideos e,mais especificamente, impurezas à base de térbio, em baixasproporções, tipicamente de 0,01 a 2% (percentual atômico).
9. Oscilador de radiofreqüência de acordo com qualqueruma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato deque a primeira camada magnética (1), referida como umacamada ancorada e funcionando como uma polarizadora,consiste de uma camada simples, cuja ancoragem é garantidapor associação dela com uma camada antiferromagnética,especialmente, uma feita de IrMn ou PtMn (4), e montadaseparadamente na sua superfície oposta à interface entre adita camada (1) e a camada não magnética (3).
10. Oscilador de radiofreqüência de acordo com qualqueruma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato deque a primeira camada magnética (1), funcionando como umapolarizadora, consiste de uma camada antiferromagnéticasintética ancorada por substituição.
11. Oscilador de radiofreqüência de acordo com areivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a camadaantiferromagnética (4) é montada separadamente nasuperfície da dita primeira camada magnética (1), oposta àinterface entre a dita camada (1) e a camada não magnética(3).
12. Oscilador de radiofreqüência de acordo com qualqueruma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pelo fato deque as ditas primeira e segunda camadas magnéticas (1) e(2) são ancoradas em qualquer direção localizada no ou forado plano das camadas.
13. Oscilador de radiofreqüência de acordo com areivindicação 1, 4, 6 ou 7, caracterizado pelo fato de queuma segunda camada não magnética, constituindo uma segundaespaçadora, é montada separadamente na superfície oposta àinterface entre a dita camada (2) e a espaçadora (3), e umasegunda camada ancorada, funcionando como uma segundapolarizadora, é montada separadamente na interface dessasegunda espaçadora, que é oposta à interface com a camada(2).
14. Oscilador de radiofreqüência de acordo com areivindicação 13, caracterizado pelo fato de que a ditasegunda camada ancorada é simples ou consiste de uma camadaantiferromagnética sintética (SAF) , capaz de ser acopladacom uma camada antiferromagnética, montada separadamente nolado oposto da interface entre essa segunda camada ancoradae a segunda espaçadora.
15. Oscilador de radiofreqüência de acordo com qualqueruma das reivindicações 1 a 14, caracterizado pelo fato deque a pilha que constitui o dispositivo magneto-resistivo éfeita por "contato pontual", em que as camadas ativas (1,-2, 3) não são decapadas com modelos nanométricos, e pelofato de que usa uma nanoponta para produzir um contatometálico da ordem de um máximo de 50 nm acima da camada(2) .
16. Oscilador de radiofreqüência de acordo com qualqueruma das reivindicações 1 a 14, caracterizado pelo fato deque a pilha que constitui o dispositivo magneto-resistivo éfeita como um "pilar", as camadas (2) e (3) sendo pelomenos decapadas para fabricar um pilar tendo um diâmetro daordem de 100 nm.
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