六角形多层纳米磁体中无偏置可重构微波特性的微磁设计

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Micromagnetic design of bias-free reconfigurable microwave properties in hexagonal shaped multilayer nanomagnets

纳米磁体微波可重构性研究：六边形结构在无外部磁场下的动态特性与频率调谐机制

　　

Krishna Begari

印度理工学院蒂鲁帕蒂分校物理系，印度蒂鲁帕蒂

摘要

磁性微型纳米结构在当前和未来的微波技术中具有巨大潜力，这得益于它们在GHz频率范围内的磁化动态特性。本研究提出了一种利用独特的六边形纳米磁体结构来研究可重构微波特性的方法。通过微磁模拟研究了这些纳米磁体的静态和动态磁性质。采用了一种简单的场初始化方法来检测每个样品中的两种不同磁剩磁状态。可以通过施加纳秒宽度的磁场脉冲来调节与不同剩磁状态相对应的独特磁化动态参数。本研究的主要发现是，在没有外部偏置磁场的情况下，无论是单层还是多层纳米磁体，在亚GHz和GHz频段内都会表现出明显的频率偏移。这种频率可调性使得无需外部磁场即可实现可重构的微波操作。

引言

磁性材料是标准微波磁器件的关键组成部分，而且它们的尺寸非常关键[1]。因此，在当前和新兴技术中，器件微型化变得越来越重要。最近的研究表明，磁性纳米线在GHz频率范围内支持磁化动态和铁磁共振模式[2]、[3]，而纳米条带则表现出类似的微波频率动态行为[4]、[5]。图案化的纳米磁体也被证明能够在GHz频段内维持铁磁共振和自旋波模式[6]、[7]、[8]。在人工磁子晶体和周期性纳米结构阵列中，通过控制几何形状[3]、[4]、晶格对称性[5]、[10]以及磁配置[11]、[12]，实现了可调的微波响应，这一点在最近关于几何工程化磁子系统的研究中得到了进一步验证[13]、[14]。此外，具有工程化形状的单个纳米磁元件也被探索用于逻辑和功能性微波器件应用[15]、[16]。总的来说，这些进展凸显了纳米级磁性系统在微波器件微型化和片上集成方面的巨大潜力。与电子或光子器件相比，微波磁器件的一个显著优势在于它们可以利用外部变量（如激光电流诱导的奥斯特场[17]、加热[18]、磁场[19]、[20]以及扫描显微镜的加热点[22]）进行方便的调谐。例如，通过调整配置和偏置磁场（H_ex），被称为磁子晶体的纳米磁阵列可以展示出可调的铁磁共振光谱[5]。需要注意的是，对于依赖外部偏置磁场的调谐方法来说，微尺度器件集成并不适用。因此，能够在无磁场的情况下实现调谐的纳米级磁结构对于实际实现和片上磁纳米器件至关重要[23]。尽管只有少数研究在没有外部偏置磁场的情况下基于纳米结构（如箭头形纳米磁体[24]、菱形纳米磁体[25]、纳米线[7]、[26]、[27]、偶极耦合纳米柱[28]、[29]以及菱形多层纳米磁体[30]）进行了探索，但这些器件基于多种不同的剩磁状态运行，每种状态对应不同的微波特性[31]。随着下一代集成微波器件对超快操作和低功耗的需求，智能纳米磁结构及其阵列或网络变得越来越重要。

本报告系统地研究了六边形纳米磁体的磁性和微波（FMR）特性。在没有任何外部偏置场（H_ext）的情况下，展示了三种类型磁性纳米结构的可重构微波行为：(A) 单层纳米结构及其偶极耦合网络，(B) 孤立的多层纳米磁体，以及 (C) 偶极耦合的多层纳米磁体。采用微磁模拟技术详细研究了磁化反转过程和微波特性。这种方法在投入昂贵的纳米制造之前，可作为评估概念验证设计的有效工具，并且得到的结果与实验观察结果一致。我们观察到了两种不同的剩磁状态，每种状态在3–16 GHz频率范围内都表现出独特的微波特性。这些发现表明了低功耗操作和快速调谐的潜力，这些都是纳米级微波系统所期望的特性。

方法

所有结果都是使用面向对象的微磁框架（OOMMF）软件[32]进行的微磁模拟得到的。这是一种有限差分方法（FDM），用于求解微分方程，并通过有限差分来近似导数。我们使用的微分方程是Landau-Lifshitz-Gilbert（LLG）方程，其中包含了磁化的精确性和阻尼项。在FDM中，空间域和时间间隔都被离散化了。

结果与讨论

• A.
  单层六边形纳米磁体（SL-HNM）
• B.
  孤立的多层六边形纳米磁体（ML-HNM）
• C.
  多层网络系统（ML-HNM-N）
• D.
  超快切换

A. (i) 单层HNM和网络中的剩磁状态研究。

这些纳米结构基于六边形几何结构设计，尺寸为宽度（w）= 130 nm、厚度（t）= 25 nm和长度（L）= 450 nm。所有样品均使用坡莫合金作为铁磁层。

总结

在一个新设计的六边形纳米磁体中展示了无需外部偏置磁场的可重构微波特性。研究了三种配置：单层纳米磁体、孤立的多层结构和偶极耦合的多层网络。通过微磁模拟研究了磁化反转、动态行为和切换特性。使用简单的场初始化方法获得了两种稳定的磁剩磁状态。

CRediT作者贡献声明

Krishna Begari:撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、监督、软件、资源、方法论、研究、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者衷心感谢印度政府SERB-DST提供的国家博士后奖学金（PDF/2022/003345）的支持。作者还要感谢Koteswara Rao Bommisetti博士在本研究期间提供的学术环境。同时，作者也感谢Arabinda Haldar博士对研究中使用的模拟代码的讨论。