蘇州納米所加工平臺在自旋納米微波放大器研制方面取得進展

              自旋電子學是微電子技術與磁性物理學結合形成的前沿交叉學科,旨在利用電子的自旋屬性作為信息載體,同時兼具數據的非易失性存儲、運算和傳感功能,有望為后摩爾時代的新型智能芯片架構提供潛在解決方案。其中,由金屬磁性層/絕緣層/金屬磁性層的核心結構組成的磁性隧道結MTJ),作為自旋電子學的核心器件,具有尺寸小、磁阻率高、功耗低、非易失以及本征的高頻特性,在磁性傳感、磁性存儲、微波通訊、無線供能以及類腦計算等領域具有重要的應用價值,已經得到科研和產業界的廣泛關注。 

              近年來,中科院蘇州納米所加工平臺圍繞磁性隧道結的多功能器件應用開展了一系列的創新性研究。例如:利用薄膜界面磁各向異性構建納米磁性隧道結材料與器件,實現了無需外加磁場的低功耗、高靈敏的納米微波探測器(Appl. Phys. Lett. 113 ,102401 (2018);Appl. Phys. Lett. 117, 072409 (2020);Appl. Phys. Lett. 122, 092405 (2023);開發了帶寬大于3 GHz的寬頻微波整流器件,并用于微波能量收集功能,演示了在無線供能方面的應用前景(Phys. Rev. Appl. 11 , 014022 (2019);ACS Appl. Mater. Inter. 11 (32), 29382?29387 (2019))。 

              基于磁性隧道結的多態存儲、隨機翻轉以及微波動力學等特性,研究團隊探索了基于磁性隧道結在人工智能方面的應用。利用微波整流輸出特性模擬神經元稀疏激活特性(Appl. Phys. Lett. 114, 192402 (2019);利用磁性隧道結的隨機翻轉特性模擬了神經網絡中Sigmoid人工神經元,神經網絡識別率高達95%Phys. Rev. Appl. 11, 034015 (2019));構筑了低功耗人工突觸器件,實現了突觸的尖峰放電時間依賴可塑性(Appl. Phys. Lett. 121, 232406 (2022));利用自旋二極管模擬神經元群體編碼,并用于人工神經網絡中實現可重構的人工神經元(Appl. Phys. Lett. 122, 122402 (2023))等。 

              除了在微波探測和類腦功能的研究之外,磁性隧道結豐富的磁動力學特性也為微波放大功能的開發提供了可能。事實上,由半導體材料構建的傳統微波放大器,在微波通訊等領域已經得到了廣泛應用。隨著物聯網和5G通信技術的發展,對放大器的尺寸和功耗也提出了更高的要求。前期研究結果表明,利用電子自旋屬性開發的納米尺度磁性電子器件有望發展新一代小尺寸和高性能微波器件。近期,中科院蘇州納米所加工平臺曾中明研究員等設計和制備出具有正交磁化的納米磁性隧道結器件,在1-2.5 GHz頻率范圍內觀測到了增益|S11|>2的微波放大,理論研究表明微波放大的物理機制源于注入鎖相,該工作為設計新型納米微波放大器提供了潛在方案。相關研究成果以Nonlinear amplification of microwave signals in spin-torque oscillators為題,發表在《自然·通訊》(Nature Communications。中科院蘇州納米所碩士研究生朱可強、意大利巴里理工大學Mario Carpentieri博士、中科院蘇州納米所博士生張黎可為論文共同第一作者,中科院蘇州納米所方彬項目研究員、意大利墨西拿大學Giovanni Finocchio教授、中科院蘇州納米所曾中明研究員為論文通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金、王寬誠教育基金、中科院率先行動引才計劃等項目支持。 

                    磁性隧道結微波器件的磁化結構、表征電路及微波放大性能測試

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