声表面波与自旋相互作用的器件设计制备开题报告

 2020-02-18 07:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

声表面波(saw)是沿着物体表面传播的一种能量集中于表面附近的弹性波。随着叉指换能器(idt)的发明—能在压电材料表面激励声表面波,声表面波技术和器件得以快速发展。基于声表面波制作的传感器拥有微型化、集成化、无源、低成本、低功耗等优点,在谐振器和滤波器方面,声表面波也有广泛的应用。近年来,国内外也不断有利用声表面波设计器件的新进展。hongfei zu等人基于声表面波设计的质量传感器的质量灵敏度为13khz/μg,该灵敏度是常规qcm的18倍;姜建利等人设计的以fega合金为衬底,沉积了scaln压电薄膜的声表面波谐振器,波长达到了16μm,在微波谐振器和超灵敏磁场传感器中有良好的应用前景;lokesh rana等人在石英上制作的工作频率为99.45mhz的声表面波谐振器,利用dlc/si基片制作的频率为126mhz的压电薄膜高频声表面波器件,以及在二氧化硅薄膜和压电氧化锌薄膜上制作的lwa器件,对实现高灵敏度传感器很有用。为了使应用逐渐广泛的声表面波器件能有更加优良的性能,应当更加深入的对其研究。

本次设计就是靠压电基片上的两个叉指换能器产生的声表面波,我们关注的是基于声表面波产生的自旋流(sc)。自旋流是自旋向上和自旋向下的电子以相同的平均速度反向运动的结果。目前,在自旋电子学中,自旋流的产生和控制备受关注,由于自旋流是一个非守恒量,自旋流的利用比电流的利用更具有挑战性。t.kimura等人利用自旋霍尔效应产生了自旋流,可以简单方便地用外电场或外电压来实现对自旋的控制和操纵,这一方法也被广泛的用来产生自旋流,但是需要很强的自旋轨道相互作用(soi);而后,mamoru matsuo等人发现了一种能通过机械方法产生自旋流的新途径—自旋旋转耦合(src),摆脱了对强soi的依赖,并且理论计算出通过金属pt产生的106a/m2数量级的自旋流。这次设计利用后者的方法,学习comsol仿真软件,希望设计出一个器件,并且通过comsol的仿真得到声表面波,并由得到的声表面波计算得到109a/m2数量级的自旋流。当器件自旋流的强度达到这个数量级之后,就足以转动磁矩,以实现在自旋电子学器件上的应用。

由上面可以看出,足够大的自旋流需要合适的声表面波来产生,而声表面波由叉指换能器激励产生,所以在设计过程中,一个合适的叉指换能器是重要的目标。

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2. 研究的基本内容与方案

设计过程中,主要是为了得到能够产生足够大自旋流的器件,在comsol软件上对设计的器件进行模拟,同时保证设计的器件贴合实际,能够实现实物的制造。

起初先试用comsol模拟mamorumatsuo等人的实验,通过仿真得到与理论值相近的结果,确保模型建立的正确性,然后以这个模型为基础,开始自己的设计。在此过程中,目标不仅是针对这一次的器件设计,更加重要的是基本掌握comsol软件的使用,在使用软件的过程中,逐渐熟练软件操作过程的同时,还进一步的了解了实验的原理。

在器件设计时,主要从两个方面进行考虑,一是器件的整体结构,例如改变材料沉积厚度和设计叉指换能器的结构等方法;二是所用的材料,例如尝试多种不同材质的金属薄膜(尝试用一些高性能的贵金属)。这一切的尝试都是基于理论得到的自旋流的公式,以及别人已经在实验上得到的实验规律而来的。也就是直接的观察自旋流公式,在实际范围内,找到可以人为控制的参量,然后改变对应的可以增大自旋流的参数值,以期望达到预期的目标。

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3. 研究计划与安排

第4周-第6周:基本掌握comsol的使用

第7周-第8周:器件设计基本完成

第9周-第11周:完成设计,并且仿真出结果

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4. 参考文献(12篇以上)

[1] hongfei zu, yizhong wang,jiemin xie, et al. surface acoustic wave mass sensor based on 128o yx-cut lithium niobate for thermogravimetric analysis[j]. ieee internationalultrasonics symposium proceedings, 2014(0635): 2544-2547.

[2]t.kimura, y.otani, t.sato, et al. room-temperature reversible spin halleffect[j]. physical review letters, 2007, 98(15): 156601.

[3]lokesh rana, reema gupta, anjali sharma, et al. novel designs of saw devicesfor highly sensitive chemical sensors[j]. materials today: proceedings,2018(5): 15371-15375.

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