Electromagnetic field detectors based on spintronics devices

Р.Л. Політанський; П.М. Шпатар; М.В. Вісьтак; І.Т. Когут; І.С. Дісковський; Ю.А. Рудяк

doi:10.15330/pcss.24.3.433-440

Автор(и)

Р.Л. Політанський Чернівецький національний університет ім. Ю. Федьковича, Чернівці, Україна
П.М. Шпатар Чернівецький національний університет ім. Ю. Федьковича, Чернівці, Україна
М.В. Вісьтак Львівський національний медичний університет імені Данила Галицького, м. Львів, Україна
І.Т. Когут Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, Україна
І.С. Дісковський Львівський національний медичний університет імені Данила Галицького, м. Львів, Україна
Ю.А. Рудяк Тернопільський національний медичний університет імен І. Я. Горбачевського, м. Тернопіль, Україна

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.24.3.433-440

Ключові слова:

сенсор електромагнітного поля, феромагнітний резонанс, генерування спінового струму, спіновий вентиль

Анотація

У роботі запропонована модель сенсора електромагнітного випромінювання, який використовує прецесію вектора намагніченості у феромагнетику (феромагнітний резонанс) внаслідок поглинання енергії падаючої електромагнітної хвилі, генерування спінового струму внаслідок цієї прецесії, генерування спін-поляризованого струму внаслідок проходження спінового струму у немагнітному металі, і зміну напряму намагніченості феромагнітного шару із низькою коерцитивною силою (вільного шару) внаслідок проходження спін-поляризованого струму. Тоді випромінювання детектуватиметься за його дією на електричний опір усієї структури, який залежить від взаємних напрямів (паралельні або антипаралельні) намагніченості вільного і закріпленого (із великою коерцитивною силою) феромагнітних шарів (явище гігантського магнітного опору). Розраховані залежності спін-поляризованого струму у пристрої від частоти та амплітуди падаючої електромагнітної хвилі із лінійною поляризацією. Розроблена методика розрахунку діапазону значень амплітуди і частоти випромінювання, яке може детектувати сенсор. Параметрами цієї моделі є час детектування і кількість спінових вентилів у одному сенсорі. Приведені розрахунки для феромагнітного шару, виготовленому із пермалою, та для спінових вентилів із чотирма різними значеннями критичного струму, які визначають процес перемагнічування вільного шару: 20, 50, 100 і 200 мікроампер.

Посилання

X. Liu, K.H. Lam, K. Zhu, C. Zheng, X. Li, Y. Du, C. Liu, P.W.T. Pong, Overview of Spintronic Sensors with Internet of Things for Smart Living, IEEE Transactions on Magnetics, 55(11), 0800222 (2019); https://doi.org/10.1109/TMAG.2019.2927457.

Y. Chen, X. Wang, Z. Sun, H. Li, 2nd Asia Symposium on Quality Electronic Design (ASQED) (IEEE, Penang, Malaysia, 2010); https://doi.org/10.1109/ASQED.2010.5548244.

A. Tanwear, X. Liang, Y. Liu, A. Vuckovic, R. Ghannam, T. Bohnert, E. Paz, P.P. Freitas, R. Ferreira, H. Heidari, Spintronic Sensors Based on Magnetic Tunnel Junctions for Wireless Eye Movement Gesture Control, IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems, 14(6), 1299 (2020); https://doi.org/10.1109/TBCAS.2020.3027242.

S.O. Kim, W.J. Kim, K.-J. Kim, S.-B. Choe, Y.M. Jang, S.H. Yoon, B.K. Cho, T.D. Lee, Experimental Study of Thermally Activated Magnetization Reversal With a Spin-Transfer Torque in a Nanowire," IEEE Trans. Magn., 44(11), 2531 (2008); https://doi.org/10.1109/TMAG.2008.2002419.

S. Luo, N. Xu, Y. Wang, J. Hong, L. You, Thermally Assisted Skyrmion Memory (TA-SKM), IEEE Electron Device Letters, 41(6), 932 (2020); https://doi.org/10.1109/LED.2020.2986312.

R.L. Politanskyi, V.I. Gorbulik, I.T. Kogut, M.V. Vistak, The Modeling of growth process on the surface of crystal, Physics and Chemistry of Solid State, 23(2), 387 (2022); https://doi.org/10.15330/pcss.23.2.387-393.

M.V. Vistak, V.E. Dmytrakh, Z.M. Mykytyuk, V.S. Petryshak, Y.Y. Horbenko, A liquid crystal-based sensitive element for optical sensors of cholesterol, Func. Mater., 24(4), 687 (2017); https://doi.org/10.15407/fm24.04.687.

W. Wójcik, M. Vistak, Z. Mykytyuk, R. Politanskyi, I. Diskovskyi, O. Sushynskyi, I. Kremer, T. Prystay, A. Jaxylykova, I. Shedereyeva, Technical solutions and SPICE modelling of optical sensors, Przeglad Elektrotechniczny, 96(10), 102 (2020); https://doi.org/10.15199/48.2020.10.18.

G.I. Barylo, R.L. Holyaka, I.I. Helzhynskyy, Z.Yu. Hotra, M.S. Ivakh, R.L. Politanskyi, Modeling of organic light emitting structures, Physics and Chemistry of Solid State, 21(3), 519 (2020); https://doi.org/10.15330/pcss.21.3.519-524.

R.L. Politanskyi, M.V. Vistak, G.I. Barylo, A.S. Andrushchak, Simulation of anti-reflecting dielectric films by the interference matrix method, Opt. Mater., 102, 109782 (2020); https://doi.org/10.1016/j.optmat.2020.109782.

Z. Hotra, A. Mahlovanyy, Z. Mykytyuk, H. Barylo, M. Vistak, I. Kremer, M. Ivakh, R. Politanskyi, IEEE XVth International Conference on the Perspective Technologies and Methods in MEMS Design (MEMSTECH) (IEEE, Polyana, Ukraine, 2019); https://doi.org/10.1109/MEMSTECH.2019.8817378.

O. Sushynskyi, M. Vistak, V. Dmytrah, IEEE XIIVth International Conference on Modern Problems of Radio Engineering, Telecommunications and Computer Science (TCSET) (IEEE, Lviv, Ukraine, 2016); https://doi.org/10.1109/TCSET.2016.7452075.

F. Duan, D. Abbott, Binary modulated signal detection in a bistable receiver with stochastic resonance, Physica A, 376, 173 (2007); https://doi.org/10.1016/j.physa.2006.10.046.

R.L. Politansky, Z.M. Nytrebych, R.I. Petryshyn, I.T. Kogut, O.M. Malanchuk, M.V. Vistak, Simulation of the Propagation of Electromagnetic Oscillations by the Method of the Modified Equation of the Telegraph Line, Physics and Chemistry of Solid State, 22(1), 168 (2021); https://doi.org/10.15330/pcss.22.1.168-174.

Z. Nytrebych, R. Politanskyi, O. Malanchuk, R. Petryshyn, M. Vistak, IEEE 16th International Conference on the Experience of Designing and Application of CAD Systems (CADSM) (Lviv, Ukraine, 2021); https://doi.org/10.1109/CADSM52681.2021.9385248.

Y. Nakagawa, M. Takagishi, N. Narita, T. Nagasawa, G. Koizumi, W. Chen, S. Kawasaki, T. Roppongi, A. Takeo, T. Maeda, Spin-torque oscillator with coupled out-of-plane oscillation layers for microwave-assisted magnetic recording: experimental, analytical, and numerical studies, Appl. Phys. Lett., 122, 042403 (2023); https://doi.org/10.1063/5.0133921.

Y. Tserkovnyak, A. Brataas, G.E.W. Bauer, Enhanced Gilbert Damping in Thin Ferromagnetic Films, Phys. Rev. Lett., 88, 117601 (2002); https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.88.117601.

A. Brataas, Y. Tserkovnyak, G.E.W. Bauer, B.I. Halperin, Spin battery operated by ferromagnetic resonance, Phys. Rev. B, 66, 060404R (2002); https://doi.org/10.1103/PhysRevB.66.060404.

E. Saitoha, M. Ueda, H. Miyajima, Conversion of spin current into charge current at room temperature: Inverse spin-Hall effect, Appl. Phys. Lett., 88, 182509 (2006); https://doi.org/10.1063/1.2199473.

R.L. Politanskyi, L.F. Politanskyi, I.I. Grygorchak, A.D. Veriga, Modeling of Spin Valves of Magnetoresistive Fast-Acting Memory, Journal of Nano- and Electronic Physics, 10(6), 06027 (2018); https://doi.org/10.21272/jnep.10(6).06027.

Y. Xu, D.D. Awschalom, J. Nitta, Handbook of Spintornics (Springer, Dordrecht Heidelberg New York London, 2016).

P. Kumar, A. Naeemi, Benchmarking of spin-orbit torque vs spin-transfer torque devices, Appl. Phys. Lett., 121, 112406 (2022); https://doi.org/10.1063/5.0101265.

V. Vlaminck, J.E. Pearson, S.D. Bader, A. Hoffman, Dependence of spin-pumping spin Hall effect measurement on layer thickness and stacking order, Phys. Rev. B, 88, 064414 (2013); https://doi.org/10.1103/PhysRevB.88.064414.

HuJun Jiao, Gerrit E. W. Bauer, Spin Backflow and ac Voltage Generation by Spin Pumping and the Inverse Spin Hall Effect, Phys. Rev. Lett., 110, 217602 (2013); https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.110.217602.

K. Karube, L. Peng, J. Massel, M. Hemmida, H.-A. K. von Nidda, I. Kézsmárki, Xiuzhen Yu, Y. Tokura, Y. Taguchi, Doping Control of Magnetic Anisotropy for Stable Antiskyrmion Formation in Scheibersite (Fe,Ni)3P with S4 symmetry, Adv. Mater., 34(11), 2108770 (2022); https://doi.org/10.1002/adma.202108770.

D.M. Burn, S. Zhang, K. Zhai, Y. Chai, Y. Sun, G. van der Laan, Th. Hesjedal, Mode-Resolved Detection of Magnetization Dynamics Using X-ray Diffractive Ferromagnetic Resonance, Nano Lett., 20(1), 345 (2020); https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.9b03989.

P. Bajracharya, V. Sharma, A. Johnson, R. C. Budhani, Resonant precession of magnetization and precession-indused DC voltages in FeGaB thin films, J. Phys. D Appl Phys, 55, 075303 (2022); https://doi.org/10.1088/1361-6463/ac34ab.

M. Guo, R. Cheng, Field-assisted sub-terahertz spin pumping and auto-oscillation in NiO, Appl. Phys. Lett., 121, 02401 (2022); https://doi.org/10.1063/5.0097211.

I.T. Kogut, A.A. Druzhinin, V.I. Holota, 3D SOI elements for system-on-chip applications, Adv. Mat. Res., 276, 137 (2011); https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.276.137.

A. Druzhinin, I. Ostrovskii, Y. Khoverko, I. Kogut, V. Golota, Nanoscale polysilicon in sensors of physical values at cryogenic temperatures, J. Mater. Sci: Mater. in Electron., 29(10), 8364 (2018); https://doi.org/10.1007/s10854-018-8847-0.

R. Politanskyi, M. Vistak, A. Veryga, T. Ruda, Modelling of Spintronic Devices for Application in Random Access Memory, Informatyka Automatyka Pomiary w Gospodarce i Ochronie Środowiska, 10(1), 62 (2020); https://doi.org/10.35784/iapgos.915.

J.D. Costa, S. Guisan, B. Lacoste, A.S. Jenkins, T. Böhnert, M. Tarequzzaman, J. Borme, F.L. Deepak, E. Paz, J. Ventura, R. Ferreira, P.P. Freitas, High power and low critical current density spin transfer torque nano-oscillators using MgO barriers with intermediate thickness, Sci. Rep., 7, 7237 (2017); https://doi.org/10.1038/s41598-017-07762-z.

D.H. Kang, M. Shin, Critical switching current density of magnetic tunnel junction with shape perpendicular magnetic anisotropy through the combination of spin-transfer and spin-orbit torques, Sci. Rep., 11, 22842 (2021); https://doi.org/10.1038/s41598-021-02185-3.