具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

以下在实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何本领域技术人员，了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的内容、权利要求及图式，任何本领域技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。以下的实施例进一步详细说明本发明的观点，但非以任何观点限制本发明的范畴。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

缩略语和关键术语定义：

MRAM：磁性随机存取存储器。

MTJ：磁隧道结器件。

STT：自旋转移矩，一种可以使得磁隧道结器件的磁矩实现翻转的技术。

SOT：自旋轨道矩，在磁隧道结下有一层强自旋轨道耦合层，电流流过强自旋轨道耦合层使得磁隧道结的磁矩翻转的技术，一般需要外加磁场辅助。

DMI效应：界面效应，引起磁矩的非平行排列，即引起磁矩的不对称分布。

VCMA：电压调控磁各向异性，在磁隧道结两端施加电压，可以调控磁各向异性和DMI效应。

图1示出了本发明实施例中的一种自旋纳米振荡器的结构。如图1所示，该自旋纳米振荡器依次包括：强自旋轨道耦合层1、自由层2、探测器的第一势垒层3以及探测器的参考层4，自旋轨道矩电流通过强自旋轨道耦合层1输入，在所述强自旋轨道耦合层与所述第一自由层之间的界面交互作用的辅助下，诱导自由层2磁矩发生进动，引发磁畴壁周期性振荡，所述探测器检测磁矩变化并通过所述探测器输出周期性信号。

值得说明的是，自旋轨道矩电流流过强自旋轨道耦合层，由于自旋轨道矩效应，自由层和强自旋轨道耦合层产生强轨道耦合(Spin-orbit coupling)，自旋极化电流诱导自由层磁矩发生进动。

其中，所述自旋轨道矩电流优选单向电流，当然，也可以是双向电流。

另外，自由层2的磁化状态可变，参考层磁化方向通过钉扎保持不变。当探测器覆盖区域下所述第一自由层的磁矩与所述参考层的磁矩相反，探测器表现为高阻态；当探测器覆盖区域下所述第一自由层的磁矩与所述参考层的磁矩相同，探测器表现为低阻态。值得说明的是，探测器覆盖区域为整个自由层或局部覆盖。

通过采用上述技术方案，自旋轨道矩电流经由强自旋轨道耦合层引发磁畴壁周期性振荡，从而引起周期性信号输出，读写路径分离，防止击穿。

值得说明的是，本发明实施例提供的自旋纳米振荡器的单元结构为多层膜结构，在强自旋轨道耦合层上制作自由层，通过(包括但不限制)增加插入层、制作过程中控制退火温度等方式，使得自由层受到DMI作用。SOT电流通过强自旋轨道耦合层，即x或y方向，产生自旋累积，引发磁矩进动。自由层受DMI效应和SOT电流影响，磁畴壁生成并进行周期性振荡。磁矩的振荡由探测器检测，根据巨磁阻效应或者隧穿磁阻效应等等转换成阻值的变化，从而实现周期性信号输出。

DMI效应的手性(DMI常数的符号)不受限制；SOT电流流经强自旋轨道耦合层，具体方向不做限制(+x、-x、+y、-y或者在x-y平面内与xy坐标轴有一定夹角)；探测器包含势垒层和参考层两部分，探测器的大小不做限制，可以覆盖整个自由层，其效果参见图4，也可以只覆盖局部区域，其效果参见图3；探测器的位置可以根据具体情况发生改变；图1中自由层、势垒层以及参考层均为圆形，对形状和结构不做限制，可以为椭圆、菱形等形状以及套筒式、镶嵌式结构等；对整个结构中受到的其他物理效应不做限制，如RKKY(Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida)效应，类磁场转矩(Field-like torque)，理论上不需要外磁场辅助，但允许外磁场存在等；电流可以是直流电或交流电，当然，电流可以是单向电流，也可以是多向电流，可以多个电流同时施加；整体结构可拥有多个自由层或增加插入层。本发明同样适用与面内各向异性的器件。

其中，对强自旋轨道耦合层施加电流，自由层中的磁畴壁形成后做周期性运动，局部或全局探测器检测实时磁矩的变化，根据巨磁阻效应或者隧穿磁阻效应转过成阻值的变化，从而输出周期性信号。频率和振幅的调控通过调节SOT电流完成。

在一个可选的实施例中，在所述强自旋轨道耦合层与所述第一自由层之间的界面之间存在DMI交换作用；

值得说明的是，本发明实施例在制备时通过控制退火温度等等，使得所述自由层受界面交互作用影响。

具体地，可通过调控退火温度增加自旋纳米振荡器的DMI效应或利用施加VCMA提高自旋纳米振荡器的DMI效应。

其中，可用的DMI，如，DMI强度，D＝2mJ/m^2；典型多层结构，如Ta/Pt/Co/Mg/MgO/Pt多层膜结构。

在一个可选的实施例中，参见图2，该自旋纳米振荡器还可以包括：MOS管T，所述MOS管T的源极或漏极连接所述强自旋轨道耦合层，用以施加电流，产生自旋转移矩电流。

其中，通过MOS管施加VCMA控制电压Vd，调节界面交换作用的强度，对强自旋轨道耦合层施加电流，自由层中的磁畴壁形成后做周期性运动，局部或全局探测器检测实时磁矩的变化，根据巨磁阻效应或者隧穿磁阻效应转过成阻值的变化，从而输出周期性信号。

通过调节VCMA电压以及SOT电流密度，共同完成对频率和振幅的调控。VCMA电压和SOT电流的施加顺序不做限制。

通过采用上述技术方案，通过VCMA电压可以调控DMI效应，器件本身不需要极强的DMI效应即可工作，制作工艺简单，振荡频率较高。

在一个可选的实施例中，该自旋纳米振荡器还可以包括：钉扎层，钉扎层设置在所述参考层任一侧。

比如，可以在参考层之上设置钉扎层，或者在参考层与势垒层之间设置钉扎层。

具体地，钉扎层可采用金属材料制成，举例来说，可以是Co/Pt多层膜、Co/Ni多层膜等磁性多层膜结构，其厚度可以为几纳米到几十纳米，形状与邻近层一致。

通过采用上述技术方案，能够通过钉扎层增强参考层的磁各向异性以及固定参考层的磁化方向，提高工作可靠性。

在一个可选的实施例中，该自旋纳米振荡器还可以包括：自由层以及插入层和/或势垒层，插入层和/或势垒层设置在所述自由层2与所述势垒层3之间，自由层设置在插入层或/或势垒层与所述势垒层3之间。

在一个可选的实施例中，自旋纳米振荡器还可以包括：种子层以及封盖层，种子层设置在强自旋轨道耦合层1的与自由层2相反的一侧，即图中的强自旋轨道耦合层1的下侧，所述封盖层设置在参考层4的与势垒层3相反的一侧，即图中的参考层4的上侧。

其中，种子层以及封盖层的材料包括但不限制于Ta,Pt等，厚度为几纳米到几十纳米，形状与邻近层一致。

通过采用上述技术方案，能够有效保护自旋纳米振荡器，提高稳定性和耐用性。

在一个可选的实施例中，强自旋轨道耦合层的材料包括但不限制于反铁磁性材料或重金属材料，形状不限，厚度以及截面形状不限；

举例来说，其厚度可为0.6～10nm，例如1nm、2nm。

其中，所述反铁磁性材料包括但不限制于MnAu、CrSb、Mn₂As、NiMn、MnO、FeO、CoO、NiO、MnS、α-Fe₂O₃、FeS、FeCl₂或MnF₂等。重金属材料可为Pt、Ta或W。

在一个可选的实施例中，自由层和所述参考层的材料为铁磁金属材料，本发明实施例对其截面形状、厚度、直径不作限制。

举例来说，其截面形状可以是圆形或正方形等，直径可为10nm～10um，比如30nm、40nm、50nm、60nm，厚度可为0.6～3nm左右，具体根据实际需要确定。

其中，铁磁金属可为钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或镍铁NiFe等材料中的至少一种形成的混合金属材料，混合的金属材料的比例可以相同也可以不同。

在一个可选的实施例中，势垒层可采用氧化物制成。

所述氧化物可为氧化镁MgO或氧化铝Al2O3等氧化物中的一种，用于产生隧穿磁阻效应。

在实际应用中，铁磁金属和氧化物还可以采用其他可行的材料，本发明对此并不作限定。

自由层与强自旋轨道耦合层电接触，可通过传统的离子束外延、原子层沉积或磁控溅射等方法将各层按照从下到上的顺序依次镀在强自旋轨道耦合层上，然后通过光刻、刻蚀等传统纳米器件加工工艺来制备。

在优选的实施方式中，所述强自旋轨道耦合层可为重金属薄膜、反铁磁薄膜或其他材料构成。重金属薄膜或反铁磁薄膜可制成长方形或正方形，其顶面积需大于自由层的底面积。

当然，在实际应用中，强自旋轨道耦合层还可以采用其他可行的材料形成，本发明对此并不作限定。探测器的工作原理包括但不限制于巨磁阻效应或者隧穿磁阻效应。

图5示出了本发明实施例中的自旋纳米振荡器的工作原理流程；如图5所示，该自旋纳米振荡器的工作包括以下内容：

步骤S100：在所述强自旋轨道耦合层施加自旋轨道矩电流；

步骤S200：在所述强自旋轨道耦合层与所述第一自由层之间的界面交互作用的辅助下，诱导所述第一自由层磁矩发生进动，引发磁畴壁周期性振荡；

步骤S300：探测器检测磁矩变化并通过所述探测器输出周期性信号。

其中，当探测器覆盖区域下所述第一自由层的磁矩与所述参考层的磁矩相反，探测器表现为高阻态；当探测器覆盖区域下所述第一自由层的磁矩与所述参考层的磁矩相同，探测器表现为低阻态。

本发明提供的自旋纳米振荡器，自自由层受到较强的DMI效应，在无需使用外部磁场的情况下，利用SOT电流可激发自由层的磁畴壁振荡。旋轨道矩(spin-orbittorque，SOT)电流不直接通过磁隧道结，而是流经底层强自旋轨道耦合层，降低功耗以及导致激发-读取路径分离。

另外，通过DMI效应以及SOT电流引发磁畴壁周期性振荡，从而引起周期性信号输出，激发方式以及调控方式灵活，在实际应用中可根据需求采取合适的方案，局部探测器的应用可以提高振幅，仅需一个单元结构即可实现振荡，结构简单，体积小，易集成，功耗低；另外，应用SOT电流，激发速度快，对势垒层影响小，激发和振荡过程中均不需要外磁场辅助。振荡的频率可以通过调控SOT电流和VCMA效应实现，可输出1GHz～100GHz的信号，且有潜力达到更高的频率，适用范围广。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。