РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
2015, том 2, выпуск 2, c. 65–68
ТЕХНОЛОГИЯ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ПРОИЗВОДСТВА ЭКБ
УДК 621.378
Базовые конструкции и рабочие характеристики нанои
микроразмерных экспериментальных генераторов
терагерцевых волн 3–30 ТГц
С. Г.Чигарев1, Е.А.Вилков2,Ю.В.Гуляев3, П.Е.Зильберман4, В.И.Маликов5,
Г.М.Михайлов6, А.И.Панас7,А.В.Черных8
1,2,3,4,7Фрязинскийфилиал ФГБУН «Институт радиотехники и электроники
им. В.А.Котельникова РАН»
5,6,8ФГБУН «Институт проблем точноймеханики», г. Черноголовка
e-mail: chig50@mail.ru
Аннотация. Рассматриваются три базовые конструкции спин-инжекционных генераторов ТГц-диапазона частот:
два генератора с использованием магнитного перехода, образованного контактом ферромагнитного стержня
с острием до 50 мкм с ферромагнитной пленкой наноразмерной толщины (один из них с фокусирующей линзой,
другой с открытым резонатором типа Фабри–Перо) и генератор с использованием метаперехода, образованного
наноразмерными, ферромагнитными столбиками, нанесенными на диэлектрическую подложку и покрытые сплошной
ферромагнитной пленкой наноразмерной толщины. Приведены некоторые результаты их экспериментального
исследования.
Ключевые слова: магнитный переход, спин электрона, спиновые энергетические подзоны, ТГц-излучение, метапереход
Base
Constructions and Experimental Working
Characteristics of Nano- and Micro-Sized
Terahertz Wave Generators on 3–30 THz
S. G.Chigarev, E.A.Vilkov, Yu.V.Gulyaev, P.E.Zilberman, V. I.Malikov,
G.M.Mikhailov, A. I.Panas, A.V.Chernykh
1,2,3,4,7Fryazino Branch of State Scientific Organization
“V.A. Kotel’nikov Institute of Radio Technology & Electronics of RAS”
5,6,8Federal State Scientific Organization of exact mechanics, Chernogolovka town
e-mail: chig50@mail.ru
Abstract. Three based constructions considered here for spin — injection generators THz-diapason: two generators are
used magnetic junction having a ferromagnetic rod sharpened to 50µ with ferromagnetic film of nano-sized thickness
(one of them with focusing lens and the other is open), and once more generator based on meta-junction. Some results
of experimental research are presented for these generators.
Key words: magnetic junction, electrons spins, energy subbands for electrons, radiation, meta-junction
Стр.1
66
С.Г.ЧИГАРЕВ, Е. А.ВИЛКОВ, Ю.В.ГУЛЯЕВ, П. Е.ЗИЛЬБЕРМАН, В.И.МАЛИКОВ И ДР.
Предлагаемые к рассмотрению спин-инжекционные
генераторы ТГЦ частот построены на принципах
нового направления электроники — спинтроники.
В спинтронике рассматривается взаимодействие
с электромагнитными полями не только
зарядов электронов, но и их собственных магнитных
моментов — спинов. Рабочей средой таких
генераторов служат многослойные металлические
структуры, образованные ферромагнитными
или антиферромагнитными пленками наноразмерной
толщины с различной собственной намагниченностью
[1]. Для возбуждения в них электромагнитных
колебаний ТГц-частот при прохождении
сквозь такие структуры электрического тока необходимо
выполнить ряд условий, обеспечивающих:
расщепление электронов по спиновым энергетическим
подзонам, инжекцию спинов электронным
потоком из одного ферромагнитного или антиферромагнитного
слоя в другой с иной намагниченностью,
создание в спиновых энергетических подзонах
инверсной заселенности при инжекции спинполяризованного
потока электронов.
Все эти процессы отмечаются в течение времени
спиновой релаксации τ ∼ 10−12 снадлине
∼ 105 А/см2.
На рис. 1 представлена схема, поясняющая
спиновой релаксации l вдесятки нанометров.Излучение
наблюдается при превышении током некоторого
значения, определяемого плотностью j ∼
преобразование энергии источника питания в энергию
излучения с выполнением вышеперечисленных
условий. На рисунке приняты следующие обозначения:
мощность излучения Wизл = hν
постоянная Планка, ν — частота излучения, t —
время наблюдения излучения; энергия обменного
t ,где h —
взаимодействия Iобм = αµБMi,где α — постоянная
обменного взаимодействия, µБ — магнетон Бора,
Mi — намагниченность конкретного участка магнитного
перехода; EФ — энергия уровня Ферми;
EФI — энергия квазиуровня Ферми в конкретной
спин-энергетической подзоне; X — продольная координата,
вдоль которой распространяется ток.
Эти условия могут быть достигнуты различными
техническими решениями. Так, наиболее продвинутой
в настоящее время оказалась структура,
образованная ферромагнитным стержнем с заострением
диаметром 10–50 мкм, контактирующим
Рис. 1. Схема преобразования энергии источника питания,
обеспечивающего в магнитном переходе ток I
при напряжении U
сферромагнитнойпленкойтолщиной в десятки нанометров
[2] (см. рис. 2.).
Рис. 2. Схема излучателя спин-инжекционного генератора
с магнитным переходом типа стержень–пленка.
1 — ферромагнитный стержень, 2 — ферромагнитная
или антиферромагнитная пленка толщиной десятки нанометров
∆, 3 — диэлектрическая подложка толщиной
D ∼ 0,5 мм, 4 — массивный медный электрод. Жирные
стрелки указывают направление распространения
тока, тонкие стрелки указывают направление излучения
мощностью Pизл. Светлый участок ферромагнитной
пленки — рабочая область
На рис. 3 представлена принципиальная схема
построения генератора с излучателем типа
стержень–пленка. В нем используется линза для
фокусировки излучения в пучок параллельных
лучей. На рис. 4 общий вид такого излучателя
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 2 2015
Стр.2
БАЗОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ И РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЕНЕРАТОРОВ
с блоком питания. В таком генераторе на частоте
15 ТГц удалось получить в сфокусированном пучке
мощность 450 мкВт при токе 500 мА.
67
Рис. 3. Спин-инжекционный генератор с фокусирующей
линзой. 1 — ферромагнитный стержень, 2 — ферромагнитная
или антиферромагнитная пленка на диэлектрической
подложке, 3 —держатель-анод, 4 —фиксирующий
диск, 5 —линза, 6 —держатель линзы
Рис. 5. Генератор стимулированного излучения. 1 —
стержень, 2 —пленка, 3 —подложка, 4 —отражатель
Рис. 4. Общийвид генератора с линзойиблоком
питания
На базе этогогенераторасоздангенератор стимулированного
излучения (типа лазера ТГц-диапазона).
В нем обратная связь по излучению
обеспечивается применением резонатора типа
Фабри–Перо, образованного ферромагнитной пленкой
и полупрозрачной металлической пленкой нанесенной
на противоположную от ферромагнитной
пленки поверхность диэлектрической подложки
(см. рис. 5).
В таком генераторе удалось получить сужение
спектра излучения в несколько раз [3] Это показано
на рис. 6. где представлены спектры излучения,
снятые при различных значениях тока. При увеличении
тока спектр расширяется из-за того,
Рис. 6. Спектр стимулированного излучения
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 2 2015
Стр.3
68
С.Г.ЧИГАРЕВ, Е. А.ВИЛКОВ, Ю.В.ГУЛЯЕВ, П. Е.ЗИЛЬБЕРМАН, В.И.МАЛИКОВ И ДР.
Рис. 7. Схема генератора с метапереходом: а —вид сбоку, б —видвплане. 1 — метапереход, образованный
столбиками из ферромагнитного металла (железо) — 2 и покрывающие столбики слой из FeMn — 3, 4 —контактные
площадки из молибдена, 5 — диэлектрическая подложка, на которую нанесен метапереход с контактными
площадками, W —мощность, U —напряжение, D — длина метаперехода, L —ширина метаперехода
что селективность используемого нами резонатора
невелика. Сейчас ведутся работы по оптимизации
резонансной системы такого генератора.
Иным техническим решением для создания
спин-инжекционного генератора ТГц диапазона является
использование в качестве рабочего элемента
метаперехода, представляющего собой полоску
ферромагнитного материала толщиной в десятки
нанометров, в которую внедрено множество столбиков
из иного ферромагнитного материала диаметром
50–100 нм, разнесенных друг от друга на
расстояния порядка 10 нм. Схема такого генератора
представлена на рис. 7.
В таких структурах излучение формируется
на границе столбика и охватывающего его слоя.
Так как в таких переходах происходит наложение
парциальных волн от различных столбиков, то эффективность
генератора и мощность могут существенно
возрасти [4]. Это и наблюдается в экспериментах.
Так, при токе 100 мА получена мощность
100 мкВт на частоте 9,4 ТГц. При этом возможно
дальнейшее увеличение тока.
Данная работа была поддержана грантами
РФФИ №№13-02-12427, 13-07-00259-a, 15-0703907.
Список
литературы
1. Гуляев Ю.В., Зильберман П.Е., Михайлов Г.М.,
Чигарев С. Г. // Генерация терагерцевых волн
в магнитных переходах // Письма в ЖЭТФ, 2013,
т. 98, вып. 11, с. 837–848.
2. Гуляев Ю.В., Зильберман П.Е., Эпштейн Э.М.
идр. Твердотельный источник электромагнитного
излучения. Патент РФ 2012, №2464683.
3. Гуляев Ю.В., Вилков Е.А., Зильберман П.Е.
идр. Спин-инжекционное стимулированное излучение
терагерцевых волн в магнитных переходах //
Письма в ЖЭТФ, 2014, т. 99, вып. 9, с. 591–594.
4. Гуляев Ю.В., Зильберман П.Е., Чигарев С. Г. идр.
Твердотельный источник электромагнитного излучения.
Патент РФ (в рассмотрении).
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 2 2015
Стр.4