РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 60, № 9, с. 992-996
НОВЫЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ И ЭЛЕМЕНТЫ
УДК 537.67
СПИН-ИНЖЕКЦИОННЫЙ ТЕРАГЕРЦЕВЫЙ ГЕНЕРАТОР НА БАЗЕ МОНОЛИТНОЙ СТРУКТУРЫ ТИПА "МЕТАПЕРЕХОД"
© 2015 г. Е. А. Вилков1, Ю. В. Гуляев1, П. Е. Зильберман1, И. В. Маликов2, Г. М. Михайлов2, А. И. Панас1, А. В. Черных2, С. Г. Чигарев1
1Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, Российская Федерация, 141190 Фрязино Московской обл., пл. Введенского, 1
Е-таИ: zil@ms.ire.rssi.ru 2Институт проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов РАН, Российская Федерация, 142432 Черноголовка Московской обл., ул. Академика Осипьяна, 6
Поступила в редакцию 25.03.2015 г.
Рассмотрена возможность генерации током электромагнитных волн терагерцевого диапазона в планарной структуре, составленной из металлических ферромагнитных наночастиц, внедренных в антиферромагнитную среду.
Б01: 10.7868/80033849415090119
ВВЕДЕНИЕ 1. УСТРОЙСТВО ГЕНЕРАТОРА
Терагерцевый участок электромагнитного спектра (условно 3...40 ТГц) освоен в настоящее время недостаточно [1], хотя необходимость в применении таких волн велика и возрастает со временем. Проблема состоит в отсутствие миниатюрных подходящих по рабочим температурам и частотам твердотельных генераторов и приемников. Ранее сообщалось об экспериментальной реализации при комнатной температуре генератора указанного терагерцевого диапазона частот, имеющего микро- и наноразмеры. Структура состояла из металлических слоев, свойства которых некритично зависят от температуры. Ожидалось, что предлагаемый генератор будет работать в широком интервале температур, от криогенных до комнатных и выше. Механизм его работы основан на том, что ток, протекающий через точечный контакт двух магнитоупорядоченных металлов, может сильно нарушать равновесие по спинам и создавать отрицательную спиновую температуру, что приводит к излучательным электронным переходам [2, 3].
В данной работе впервые предлагается и исследуется структура, содержащая не один, как в [2, 3], а много точечных контактов. Протекание тока через них приводит к нарушению спинового равновесия и единому процессу терагерцевого излучения. В результате эффективность излучения возрастает на порядки. Кроме того, такая монолитная структура обладает повышенной механической прочностью и стабильностью характеристик.
Устройство генератора схематично показано на рис. 1. Функциональный элемент представлял собой монолитную полоску, образованную группой не контактирующих между собой ферромагнитных столбиков, нанесенных на диэлектрическую подложку и покрытых сплошным металлическим слоем из антиферромагнитного или иного, чем столбики, ферромагнитного металла. Такую структурно монолитную полоску мы, для краткости, называем "метаматериалом", имея в виду, что полоска составлена из большого числа раз-
1 2
<1 И
/ ч/ »»
т
ч / ч/ >
| А С
У Ч. ✓ Ч. Л
ь-
Б
Рис. 1. Схема устройства генератора, построеного на основе метаперехода: 1 — диэлектрическая подложка, 2 — столбики железа, 3 — покрывающий столбики железа слой антиферромагнитного металла БеМи нано-размерной толщины, 4 — токоподводящие контактные площадки.
3
4
Рис. 2. Генератор с метапереходом и схема его электрического подключения: 1 — метапереход, 2 — контактные площадки, 3 — диэлектрическая подложка, на которую нанесены метапереход и контактные площадки.
I, мА
300 -
200
100 -
W, мкВт
.'1-2,
30
20
10
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6
?, с
Рис. 3. Осциллограммы — тока I (кривая 1) и мощности W (кривая 2) — при включении генератора (область пускового режима).
2
0
личных вкраплений малых размеров. В проведенных экспериментах полоска из метаматериала имела толщину в десятки нанометров и поперечные размеры (см. рис. 1а) в сотни микрон. Полоска размещалась на диэлектрической подложке из монокристаллического сапфира между двумя контактными площадками и внешне имела вид электрического перехода между вкраплениями, что позволяет в дальнейшем говорить о ней как о "метапереходе". Метапереход на диэлектрической подложке подключался к источнику переменного напряжения, как показано на рис. 2. При прохождении тока через метапереход наблюдалось излучение электромагнитных волн с поверхности метаперехода непосредственно в окружающее пространство, как это показано на рис. 1б. Мощность данного излучения обозначена Ж.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРА
В исследуемом генераторе метапереход представлял собой столбики железа высотой 30 нм и диаметром 50...100 нм, разнесенные друг от друга на расстояние 10 нм. Столбики были покрыты сплошным слоем антиферромагнетика БеМп толщиной 40 нм. Контактные площадки были выполнены либо из ферромагнитного материала (железо), либо из немагнитного материала (молибдена). Для проведения сравнительных экспериментов использовалась полоска БеМп без железных столбиков с двумя типами контактных площадок. Во всех исследуемых структурах расстояние между контактными площадками (протяженность полоски метаперехода) составляло Ь = 100 мкм, поперечный размер перехода Б = 240 мкм. Электрическое сопротивление полоски было десятки ом, а сопротивление контактных площадок — единицы ом.
Экспериментальная установка, на которой проводились эти исследования, описана, например, в [4]. В проводимых экспериментах источником питания служил генератор синусоидальных сигналов Г3-123, выдававший на нагрузку (исследуемый генератор) синусоидальное напряжение с частотой 4.10 Гц и амплитудой до 28 В. Мощность излучения W измерялась оптоакустическим приемником (ОАП) GC-1Р фирмы "ТИДЕКС" (ячейка Голея). Расстояние между излучателем и объективом ОАП было 30 мм.
Прежде всего посредством исследования амплитудных и вольт-амперных характеристик мета-переходов было установлено, что излучение носит в основном не тепловой характер: оно проявляет быструю динамику, его интенсивность зависит от магнитного поля и магнитных включений мета-материала. На рис. 3 представлены осциллограммы синусоидального тока (1) и соответствующая ему осциллограмма мощности терагерцевого излучения (2) в области пускового режима для мета-перехода с контактными площадками из молибдена. Кривые осциллограмм смещены относительно нуля измерительного прибора: ток на 160 мА, мощность на 26 мкВт. Эффективное значение тока было 120 мА. Измеренная при таком токе мощность излучения в пересчете на телесный угол 4я составила 90 мкВт. Вывод о нетепловом характере излучения основан на оценке температуры, необходимой для достижения детектируемой мощности излучения метаперехода, имеющего площадь 2.4 х 10-4 см2. Проведенная по формуле Рэлея— Джинса оценка показала для нее величину более 10000 К, которая никак не могла соответствовать экспериментальным условиям. Тем не менее можно говорить о том, что в экспериментах присутствует тепловое излучение с медленной динамикой из-за постепенного нагрева переменным
Ж, мкВт 7 6 5 4 3 2 1
0.5 Вт
Рис. 4. Зависимость мощности излучения метапере-хода от мощности тока без железных столбиков и при разных контактных площадках: из железа до магнитной "обработки" (1), из железа после 30-секундной "обработки" (2) и из молибдена (3).
Ж, мкВт 3.0
0 1 2 3 4 5 6
и, В
Рис. 5. Зависимость мощности излучения от напряжения для различных излучателей с контактными площадками из молибдена: метапереход со столбиками из железа до "обработки" внешним магнитным полем (1) и после "обработки" (2), переход без столбиков железа (3).
током элементов излучателя большей площади (подложка, контактные площадки, электроды подключения и т.д.). Медленную динамику можно объяснить различием значений амплитуд первого после включения тока пика мощности и мощности излучения в установившемся режиме. При этом излучение, связанное с нагревом элементов излучателя (разность амплитуд мощности первого пика и пиков установившейся генерации), не превышает 10% от средней амплитуды сигнала, а время его установления составляет более 1 с. Некоторое смещение максимумов тока и мощности излучения, проявляемое как временной интервал в 0.02 с между вертикальными штриховыми линиями на осциллограмме, соответствует значению минимальной инерционности ОАП. Со спецификой работы ОАП [5, 6] связано и некоторое искривление огибающей амплитуды сигнала на начальном участке работы генератора. Таким образом, представленные на рис. 3 результаты указывают на незначительное присутствие теплового излучения (на уровне 10%) в условиях доминирования нетеплового излучения.
Для выявления магнитной природы доминирующего излучения была исследована работа излучателей с переходами без ферромагнитных (железных) столбиков, в которых полоска представляла собой сплошной слой из БеМп. При этом использовались образцы как с немагнитными контактными площадками (молибден), так и с магнитными контактными площадками (железо). В обоих случаях использовались переходы из БеМп, имевшие одинаковые размеры. Измерялась мощность излучения Ж в зависимости от подаваемой к излучателю мощности тока Жт = VI. На рис. 4 представлены результаты измерений мощности излучения контактных площадок из железа (1, 2) и молибдена (3). Кривая 1 получена до помещения
излучателя во внешнее магнитное поле (далее — магнитная "обработка"), а кривая 2 — после "обработки" магнитным полем величиной 1 Тл в течение 30 с вдоль полоски). Без магнитной "обработки" мощность излучения обоих излучателей одинакова. Обработка магнитным полем существенно (почти на 50%) увеличивает мощность излучения структуры с железными контактными площадками. Для объяснения этого следует предположить, что в экспериментах наблюдается излучение из области соприкосновения контактной площадки и полоски из БеМп. До "обработки" внешним магнитным полем, контактная площадка практически не имеет собственной намагниченности (суммарная намагниченность доменов взаимно скомпенсирована) и ее участие в излучательном процессе аналогично действию немагнитной пленки. Внешнее магнитное поле упорядочивает намагниченность доменов железной контактной площадки, возникает остаточная намагниченность, существенно превышающая начальн
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.