Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Ultra-high frequency tunability in low-current and low-field spin-torque oscillators based on perpendicular magnetic tunnel junctions
KTH, School of Information and Communication Technology (ICT), Materials- and Nano Physics, Material Physics, MF. (Applied Spintronics)ORCID iD: 0000-0001-9107-3309
KTH, School of Information and Communication Technology (ICT), Integrated Devices and Circuits.ORCID iD: 0000-0003-1271-1814
KTH, School of Information and Communication Technology (ICT), Materials- and Nano Physics, Material Physics, MF.ORCID iD: 0000-0003-4253-357X
KTH, School of Information and Communication Technology (ICT), Materials- and Nano Physics, Material Physics, MF. Univ Gothenburg, Sweden.
Show others and affiliations
(English)Manuscript (preprint) (Other (popular science, discussion, etc.))
Abstract [en]

We demonstrate ultra-high frequency tunability of up to 4.4 GHz/mA, and low threshold currents of about -21 $\mu$A, in spin-torque oscillators based on CoFeB/MgO/CoFeB magnetic tunnel junctions, in which both free and fixed layers have perpendicular magnetic anisotropy (PMA). By using different thicknesses of the two CoFeB layers, their individual PMA strengths can be tailored to achieve significant relative misalignment of their respective magnetizations in moderate in-plane fields. We observe a broad maximum in both the device resistance and the generated microwave power around maximum misalignment. Maximum frequency tunability is observed at low-to-moderate fields and decrease rapidly after maximum misalignment.

Keywords [en]
spin-torque oscillator, magnetic tunnel junction, magnetic perpendicular anisotropy
National Category
Materials Engineering
Research subject
Materials Science and Engineering; Physics
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-191278OAI: oai:DiVA.org:kth-191278DiVA, id: diva2:955791
Funder
Swedish Foundation for Strategic Research Swedish Research CouncilKnut and Alice Wallenberg Foundation
Note

QC 20160829

Available from: 2016-08-26 Created: 2016-08-26 Last updated: 2018-05-24Bibliographically approved
In thesis
1. Magnetodynamics in Spin Valves and Magnetic Tunnel Junctions with Perpendicular and Tilted Anisotropies
Open this publication in new window or tab >>Magnetodynamics in Spin Valves and Magnetic Tunnel Junctions with Perpendicular and Tilted Anisotropies
2016 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

Spin-torque transfer (STT) effects have brought spintronics ever closer to practical electronic applications, such as MRAM and active broadband microwave spin-torque oscillator (STO), and have emerged as an increasingly attractive field of research in spin dynamics. Utilizing materials with perpendicular magnetic anisotropy (PMA) in such applications offers several great advantages such as low-current, low-field operation combined with high thermal stability. The exchange coupling that a PMA thin film exerts on an adjacent in-plane magnetic anisotropy (IMA) layer can tilt the IMA magnetization direction out of plane, thus creating a stack with an effective tilted magnetic anisotropy. The tilt angle can be engineered via both intrinsic material parameters, such as the PMA and the saturation magnetization, and extrinsic parameters, such as the layer thicknesses.

      STOs can be fabricated in one of a number of forms—as a nanocontact opening on a mesa from a deposited pseudospin-valve (PSV) structure, or as a nanopillar etching from magnetic tunneling junction (MTJ)—composed of highly reproducible PMA or predetermined tilted magnetic anisotropy layers.

      All-perpendicular CoFeB MTJ STOs showed high-frequency microwave generation with extremely high current tunability, all achieved at low applied biases. Spin-torque ferromagnetic resonance (ST-FMR) measurements and analysis revealed the bias dependence of spin-torque components, thus promise great potential for direct gate-voltage controlled STOs.

      In all-perpendicular PSV STOs, magnetic droplets were observed underneath the nanocontact area at a low drive current and low applied field. Furthermore, preliminary results for microwave auto-oscillation and droplet solitons were obtained from tilted-polarizer PSV STOs. These are promising and would be worth investigating in further studies of STT driven spin dynamics.

Abstract [sv]

Effekter av spinnvridmoment (STT) har fört spinntroniken allt närmare praktiska elektroniska tillämpningar, såsom MRAM och den spinntroniska mikrovågsoscillatorn (STO), och har blivit ett allt mer attraktivt forskningsområde inom spinndynamik. Användning av material med vinkelrät magnetisk anisotropi (PMA) i sådana tillämpningar erbjuder flera stora fördelar, såsom låg strömförbrukning och funktion vid låga fält i kombination med hög termisk stabilitet. Den utbyteskoppling (”exchange bias”) en PMA-tunnfilm utövar på ett intilliggande skikt med magnetisk anisotropi i planet (IMA) kan få IMA-magnetiseringsriktningen att vridas ut ur planet, vilket ger en materialstack med en effektivt sett lutande magnetisk anisotropi. Lutningsvinkeln kan manipuleras med både inre materialparametrar, såsom PMA och mättningsmagnetisering, och yttre parametrar, såsom skikttjocklekarna.

STO:er kan tillverkas som flera olika typer - som en nanokontaktsöppning på en s.k. mesa av en deponerad pseudospinnventilstruktur (PSV) eller som en nanotråd etsad ur en magnetisk tunnlingsövergång (MTJ) –och bestå av mycket reproducerbar PMA eller av skikt med på förhand bestämt lutning av dess magnetiska anisotropi.

MTJ-STO:er av CoFeB med helt vinkelrät anisotropi visar högfrekvent mikrovågsgenerering med extremt stort frekvensomfång hos strömstyrningen, detta vid låg biasering. Mätning och analys av spinnvridmoments-ferromagnetisk resonans (ST-FMR) avslöjade ett biasberoende hos spinnvridmomentskomponenter, vilket indikerar en stor potential för direkt gate-spänningsstyrda STO:er.

I helt vinkelräta PSV-STO:er observerades magnetiska droppar under nanokontaktområdet vid låg drivström och lågt pålagt fält. Dessutom erhölls preliminära resultat av mikrovågssjälvsvängning och av s.k. ”droplet solitons” hos PSV-STO:er med lutande polarisator. Dessa är lovande och skulle vara värda att undersökas i ytterligare studier av STT-driven spinndynamik.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2016. p. 83
Series
TRITA-ICT ; 2016:21
Keywords
perpendicular magnetic anisotropy, tilted-polarizer, spintronics, STT, MTJ, pseudospin-valve, STO, ST-FMR, magnonics, magnetic droplet, droplet nucleation, droplet annihilation, vinkelrät magnetisk anisotropi, lutande polarisator, spinntronik, STT, MTJ, pseudospinnventil, STO, ST-FMR, magnonics, magnetisk droppe, nukleering av droppe, anihilering av droppe.
National Category
Nano Technology Condensed Matter Physics
Research subject
Physics
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-191176 (URN)978-91-7729-072-8 (ISBN)
External cooperation:
Public defence
2016-09-30, Sal C, Electrum, Kungl Tekniska högskolan, Kistagången 16, Kista, 13:00 (English)
Opponent
Supervisors
Note

QC 20160829

Available from: 2016-08-29 Created: 2016-08-24 Last updated: 2016-08-29Bibliographically approved
2. Determining and Optimizing the Current and Magnetic Field Dependence of Spin-Torque and Spin Hall Nano-Oscillators: Toward Next-Generation Nanoelectronic Devices and Systems
Open this publication in new window or tab >>Determining and Optimizing the Current and Magnetic Field Dependence of Spin-Torque and Spin Hall Nano-Oscillators: Toward Next-Generation Nanoelectronic Devices and Systems
2018 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

Spin-torque and spin Hall nano-oscillators are nanoscale devices (about 100 nm)capable of producing tunable broadband high-frequency microwave signals ranging from 0.1 GHz to over 65 GHz that several research groups trying to reach up to200 - 300 GHz. Their development is ongoing for applications in high-frequency nanoelectronic devices and systems, such as mobile phones, wireless networks, base stations, vehicle radars and even medical applications.

This thesis covers a wide range of characterizations of spin-torque and spin Hall nano-oscillator devices that aim to investigate their current and magnetic field dependency, as well as to suggest improvements in these devices to optimize their application in spintronics and magnonics. The work is primarily based on experimental methods for characterizing these devices by building up new measurement systems, but it also includes numerical and micromagnetic simulations.

Experimental techniques: In order to characterize the fabricated nanodevices in a detailed and accurate manner through their electrical and microwave responses, new measurement systems capable of full 3D control over the external magnetic fields will be described. In addition, a new method of probing an operational device using magnetic force microscopy (MFM) will be presented.

Spin-torque nano-oscillators: We will describe remarkable improvements in the performance of spin-torque nano-oscillators (STNOs) that enhance their integration capability with applications in microwave systems. In nanocontact (NC-)STNOs made from a conventional spin-valve stack, though with thicker bottom electrodes, it is found the auto-oscillations can be excited with higher frequencies at lower threshold currents, and with higher output powers. We also find that this idea is useful for tuning spin-wave resonance and also controlling the thermal budget. Furthermore, a detailed study of magnetic droplet solitons and spin-wave dynamics in NC-STNOs will be described. Finally, we demonstrate ultra-high frequency tunability in low-current STNOs based on perpendicular magnetic tunnel junctions(p-MTJs).

Spin Hall nano-oscillators: Characterizations of spin Hall nano-oscillator(SHNO) devices based on different structures and materials with both conventional and novel methods will be described. A detailed study of the current, temperature, and magnetic field profiles of nanogap SHNOs will be presented. In addition, we show the current and magnetic field dependence of nanoconstriction-based SHNOs.Moreover, it is shown that multiple SHNOs can be serially synchronized, thereby increasing their output power and enhancing the usage of these devices in applications such as neuromorphic computing. We show synchronization of multiple nanoconstriction SHNOs in the presence of a low in-plane magnetic field. Finally, there is a demonstration of the results of a novel method for probing an operationalSHNO using MFM.

Abstract [sv]

Spinntroniska oscillatorer är ca 100 nm stora nano-komponenter som kan generera avstämningsbara mikrovågssignaler över ett mycket stort frekvensområde. Frekvensområdet sträcker sig i dagsläget från 0,1 GHz till över 65 GHz och flera forskningsgrupper försöker att nå upp till 200-300 GHz. De spinntroniska oscillatorerna baseras på en effekt som kallas spinnvridmoment och de första oscillatorerna kallades därför spinnvridmomentsnano-oscillatorer (eng. spin torque nano-oscillators) som vanligtvis förkortas STNO:er. De senaste åren har man även använt den s.k. spinn-Hall-effekten och oscillatorer baserade på detta förkortas därför SHNO:er. Båda sorternas oscillatorer är under kraftig utveckling för att kunna användas inom olika högfrekvenstillämpningar som t.ex. mobiltelefon, trådlösa nätverk, basstationer, fordonsradar och även medicinska tillämpningar.

Denna avhandling täcker ett brett spektrum av olika mätningar på STNO:er och SHNO:er för att bestämma deras ström- och magnetfältsberoenden samt föreslå förbättringar av deras design för att använda dem inom spinntronik och magnonik. Arbetet bygger i första hand på experimentella metoder för att utveckla nya mätsystem, men det innehåller också numeriska och mikromagnetiska simuleringar.

Experimentella tekniker: För att kunna göra detaljerade och noggranna mätningar, som funktion av ström genom komponenten samt magnetfält runt komponenten, har två nya mätuppställningar utvecklats, båda med målet att enkelt kunna variera styrka och riktning på det magnetiska fältet i tre dimensioner. Dessutom presenteras en ny metod för att studera komponenterna med s.k. magnetkraftsmikroskopi(MFM).

STNO:er: Avhandlingen presenterar väsentliga förbättringar av prestanda hos STNO:er genom att öka tjockleken på det understa metall-lager som hela STNO:n är uppbyggd på. I sådana förbättrade STNO:er kan mikrovågssignaler med högre frekvens, högre uteffekt, och lägre tröskelström realiseras. Dessutom får komponenterna bättre värmeledningsförmåga så att de kan klara högre drivströmmar. Vidare beskrivs en detaljerad studie av magnetdroppsolitoner och spinnvågsdynamik i STNO:er. Slutligen beskrivs en ultrahög frekvensavstämbarhet i STNO:er baserade på magnetiska tunnlingselement med s.k. vinkelrät anisotropi.

SHNO:er: Avhandlingen beskriver också mätningar på SHNO:er baserade på olika strukturer och material, studerade med både konventionella och nya metoder. En detaljerad studie av temperatur och magnetfältsprofiler i s.k. nano-gap SHNO:er presenteras. Dessutom presenterar avhandlingen detaljerade studier av magnetfältsberoendet hos s.k. nano-förträngnings-SHNO:er. Vidare har det visat sig att flera sådana SHNO:er kan synkroniseras seriellt och därigenom få en kraftigt ökad uteffekt. Detta möjliggör i förlängningen också s.k. neuromorfiska beräkningar. Avhandlingen visar att en kedja av sådana SHNO:er också kan synkroniseras även vid låga magnetfält. Slutligen beskrivs de första mätningarna på SHNO:er med hjälp av MFM.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2018. p. 101
Series
TRITA-SCI-FOU ; 2018:26
Keywords
nanoelectronics, spintronics, nanomagnetism, ferromagnetic materials, microwave oscillators, magnetization dynamics, spin waves, giant magneto-resistance, spin Hall effect, spin-torque nano-oscillators, spin Hall nano-oscillators, numerical modeling, electrical characterization, microwave characterization, magnetic force microscopy.
National Category
Nano Technology Other Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering Signal Processing Physical Sciences Condensed Matter Physics
Research subject
Physics; Materials Science and Engineering; Information and Communication Technology; Electrical Engineering
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-228391 (URN)978-91-7729-824-3 (ISBN)
Public defence
2018-06-15, Sal B Electrum, Kistagången 16, Kista, 10:00 (English)
Opponent
Supervisors
Funder
Swedish Research CouncilGöran Gustafsson Foundation for Research in Natural Sciences and MedicineSwedish Foundation for Strategic Research Knut and Alice Wallenberg FoundationEU, FP7, Seventh Framework Programme
Note

QC 20180524

Available from: 2018-05-24 Created: 2018-05-23 Last updated: 2018-05-24Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text in DiVA

Authority records BETA

Le, Quang TuanEklund, Anders

Search in DiVA

By author/editor
Le, Quang TuanEklund, AndersBanuazizi, Seyed Amir HosseinChung, SunjaeNguyen, Thi Ngoc AnhÅkerman, Johan
By organisation
Material Physics, MFIntegrated Devices and Circuits
Materials Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 284 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf