蘇州納米所加工平臺(tái)在自旋納米微波放大器研制方面取得進(jìn)展
自旋電子學(xué)是微電子技術(shù)與磁性物理學(xué)結(jié)合形成的前沿交叉學(xué)科，旨在利用電子的自旋屬性作為信息載體，同時(shí)兼具數(shù)據(jù)的非易失性存儲(chǔ)、運(yùn)算和傳感功能，有望為后摩爾時(shí)代的新型智能芯片架構(gòu)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(jié)構(gòu)組成的磁性隧道結(jié)（MTJ），作為自旋電子學(xué)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(chǔ)、微波通訊、無(wú)線供能以及類腦計(jì)算等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值，已經(jīng)得到科研和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。 F,@uYMQs
c? >;UzM
近年來(lái)，中科院蘇州納米所加工平臺(tái)圍繞磁性隧道結(jié)的多功能器件應(yīng)用開(kāi)展了一系列的創(chuàng)新性研究。例如：利用薄膜界面磁各向異性構(gòu)建納米磁性隧道結(jié)材料與器件，實(shí)現(xiàn)了無(wú)需外加磁場(chǎng)的低功耗、高靈敏的納米微波探測(cè)器（Appl. Phys. Lett. 113 ,102401 (2018)；Appl. Phys. Lett. 117, 072409 (2020)；Appl. Phys. Lett. 122, 092405 (2023)）；開(kāi)發(fā)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(wú)線供能方面的應(yīng)用前景（Phys. Rev. Appl. 11 , 014022 (2019)；ACS Appl. Mater. Inter. 11 (32), 29382？29387 (2019)）。 q=;U(,Y
x, #?
基于磁性隧道結(jié)的多態(tài)存儲(chǔ)、隨機(jī)翻轉(zhuǎn)以及微波動(dòng)力學(xué)等特性，研究團(tuán)隊(duì)探索了基于磁性隧道結(jié)在人工智能方面的應(yīng)用。利用微波整流輸出特性模擬神經(jīng)元稀疏激活特性（Appl. Phys. Lett. 114, 192402 (2019)）；利用磁性隧道結(jié)的隨機(jī)翻轉(zhuǎn)特性模擬了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中Sigmoid人工神經(jīng)元，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別率高達(dá)95%（Phys. Rev. Appl. 11, 034015 (2019)）；構(gòu)筑了低功耗人工突觸器件，實(shí)現(xiàn)了突觸的尖峰放電時(shí)間依賴可塑性（Appl. Phys. Lett. 121, 232406 (2022)）；利用自旋二極管模擬神經(jīng)元群體編碼，并用于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)的人工神經(jīng)元（Appl. Phys. Lett. 122, 122402 (2023)）等。 T 5>'q;jM
, b74 m
[attachment=117867] \6vr)1~N>
磁性隧道結(jié)微波器件的磁化結(jié)構(gòu)、表征電路及微波放大性能測(cè)試 d#:7V%]d p
除了在微波探測(cè)和類腦功能的研究之外，磁性隧道結(jié)豐富的磁動(dòng)力學(xué)特性也為微波放大功能的開(kāi)發(fā)提供了可能。事實(shí)上，由半導(dǎo)體材料構(gòu)建的傳統(tǒng)微波放大器，在微波通訊等領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。隨著物聯(lián)網(wǎng)和5G通信技術(shù)的發(fā)展，對(duì)放大器的尺寸和功耗也提出了更高的要求。前期研究結(jié)果表明，利用電子自旋屬性開(kāi)發(fā)的納米尺度磁性電子器件有望發(fā)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(tái)曾中明研究員等設(shè)計(jì)和制備出具有正交磁化的納米磁性隧道結(jié)器件，在1-2.5 GHz頻率范圍內(nèi)觀測(cè)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(jī)制源于注入鎖相，該工作為設(shè)計(jì)新型納米微波放大器提供了潛在方案。相關(guān)研究成果以Nonlinear amplification of microwave signals in spin-torque oscillators為題，發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communications）。中科院蘇州納米所碩士研究生朱可強(qiáng)、意大利巴里理工大學(xué)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(xiàng)目研究員、意大利墨西拿大學(xué)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(guó)家自然科學(xué)基金、王寬誠(chéng)教育基金、中科院率先行動(dòng)引才計(jì)劃等項(xiàng)目支持。
|