Conversion d'un signal RF en DC par des jonctions tunnel magnétique à aimantation perpendiculaire

par Ahmed abdelkerim Sidi Elvalli

Projet de thèse en Physique de la Matière Condensée et du Rayonnement

Sous la direction de Ursula (phys) Ebels et de Liliana Buda-prejbeanu.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de Physique , en partenariat avec Spintronique et Technologie des Composants (laboratoire) depuis le 01-11-2018 .


  • Résumé

    Le transfert d'un moment angulaire de spin par un courant polarisé en spin permet à la fois d'explorer la dynamique d'aimantation dans des nanopiliers à jonctions tunnels magnétiques et de définir des nouvelles applications pour des composants microondes intégrés. Le couple de transfert de spin compense le couple d'atténuation de la précession d'aimantation et peut induire deux type d'excitations: (i) des oscillations entretenues induites par un courant DC et (ii) des modes atténués excités de manières résonantes par un courant rf. Les fréquences correspondantes couvrent une gamme allant de 100MHz à quelque dizaine de GHz, dépendant de la configuration magnétique. Dans les deux cas d'excitation, les oscillations de l'aimantation sont converti en un signal électrique via la magnéto-résistance et on parle dans le cas (i) d'une conversion DC-RF et en cas (ii) d'une conversion RF-DC (suite à un effet de rectification). Ces fonctions rf spintronics sont compatible avec les besoins des composants rf pour les capteurs de réseaux sans fils ( en terme de fréquence, taux de modulation). Les réseaux de capteurs sans fils font partie des Internet of Things, dont le nombre d'objet communicant augmente drastique, suites aux applications multiples (e.g. pour l'habitat, smart phones, surveillance en industrie, de l'environnent ou de la santé..). Le défi consiste à développer des composants compacts, à faible consommation d'énergie et à faible coût. La fonction DC-RF a été beaucoup étudié dans le passé pour définir une source microondes compacte et flexible. En contrepartie, la fonction RF-DC promets de nouvelles approches pour la récupération d'énergie RF, ce qui rend un capteur communiquant autonome en énergie. Les résultats récents ont montré une bonne sensibilité à faible puissance à un signal DC élevé (mV), des performances qui sont supérieures à des diodes Schottky. La taille nanométriques des dispositifs spintroniques permettra d'utiliser un réseau de capteurs pour augmenter le signal de sortie. Une deuxième application de la fonction RF-DC concerne la réalisation d'un wake-up receiver (WuR), qui a pour fonction de 'réveiller' le système de communication principale uniquement quand sollicité. Ceci réduit de manière importante la consommation d'énergie car les composants de communications consomme beaucoup d'énergie, mais sont utilisé uniquement une faible pourcentage du temps. LETI a identifié la fonction RF-Dc des dispositifs spintroniques comme une solution alternatives importantes pour la réalisation des WuR Ces aspects applicatifs nécessitent une meilleure compréhension de la fonction de détection qui sera le but principale de la thèse. L'étude sera mené pour des dispositifs émettant dans la gamme de fréquence de 1-10 GHz, utilisant des jonctions tunnel magnétiques dites à anisotropie magnétiques perpendiculaires (PMA) de type MgO/FeCo/MgO. En variant l'épaisseur de la couche magnétique entre environ 1.2 et 1.6nm on peut changer l'orientation de l'aimantation de la couche oscillante. La thèse a pour but de caractériser les modes d'excitation d'une telle structure pour les deux fonctions (DC-RF et RF-DC) et d'évaluer le potentiel pour les applications, en premier vue pour les WuR et la récupération d'énergie. Les résultats expérimentaux seront accompagnés par des simulations analytiques et numériques.

  • Titre traduit

    Conversion of RF power into DC voltage using perpendicular magnetized magnetic tunnel junctions


  • Résumé

    RF SPINTRONICS Spin momentum transfer allows exploring and studying magnetization dynamics in nanosized magnetic structures and opens potential for novel applications for integrated microwave components. The transfer of spin angular momentum from a spin polarized current counteracts damping (through the damping-like spin torque term) and can drive two types of excitations in magneto-resistive devices: (i) large angle auto-oscillations via a DC current and (ii) damped normal modes resonantly driven via an RF current. The corresponding frequencies lie in the range of 100MHz up to several tens of GHz, depending in the magnetic configuration. In both cases the oscillating motion of the magnetization is converted into an electrical signal via the magneto-resistance. One therefore speaks of an electrical DC-to-RF converter in the case of auto-oscillations and an RF-to-DC converter in the case of the resonance modes The application range of RF spintronic functions is seen within wireless sensor networks (WSNs) since spintronic device performances (frequency range, power, modulation rate) respond to the WSN needs (communication distances of 10m, moderate modulation rates <1Gbps and frequencies of 1-10GHz). WSNs, as part of the Internet of Things, are an exploding market, due to the large number of connected devices and smart sensors used e.g. in habitat, smart phones, factories, on body or for environmental monitoring (gaz, soil, traffic). Due to this extremely large application range, a major concern is keeping power consumption and costs of individual components low. RF spintronic devices can respond to such demands in many ways. While spintronics DC-to-RF converters provide a flexible microwave signal source for the main WSN communication, the microwave signal detection function (RF-to-DC conversion) can provide novel routes for efficient harvesting of rf power to ensure autonomy in energy provision. (Wireless communication between all kinds of smart devices, provides a large background of rf power, that can be harvested by RF-to-DC converters.) Here spintronic devices can provide a true alternative to existing Schottky diodes, since recent studies demonstrate sensitivities to low input power with large output signal in the range of mV. The small size of the devices will allow for using many spintronics RF-DC converters to increase the overall signal. A second application of the spintronic RF-to-DC converter function is seen for the realization of a wake-up receiver (WuR) that allows a drastic reduction in power consumption. Namely, the most power consuming components of a WSN are the main Tx/Rx communication modules that are solicited only during a small percentage of the operating time. It is therefore desirable to switch them off and activate them only when solicited. To wake-up them up, low cost, low power consuming and sensitive wake-up receivers are needed. LETI has identified the spintronics RF-to-DC conversion function as an important alternative to existing WuRs (that are not robust to parasitics, or not compact or not flexible enough). Spintronics RF-to-DC converters have small size, are passive (no power consumption in absence of an rf signal) and are frequency selective (to be used to decode low bit rate wake up signals and to be robust against parasitic signals from nearby channels). This moves the detection function in the focus of applications and the need for better fundamental understanding of its operation and dynamic response, which forms therefore one of the driving force and framework of the proposed PhD project. While first demonstrations have been realized using lower frequency vortex devices, there is a need for devices of similar performances and properties that emit in the higher frequency range. In-plane magnetized materials studied in the past by the group have shown to be too sensitive to nanofabrication imperfections. This is expected to be less critical for materials with out-of-plane magnetization using materials with strong perpendicular magnetic (interface) anisotropies (PMA) such as MgO/FeCo/MgO. An interesting aspect of the PMA MTJs is that upon variation of the FeCoB thickness from about 1.2nm to 1.6nm, the orientation of the magnetization changes from out-plane to in-plane. The thesis will focus on magnetic tunnel junction devices whose free layer is characterized by a strong perpendicular magnetic anisotropy (PMA), since this will result in large precession amplitudes and MR signals, which is of advantage for both rf functions. A central target of the thesis is thus to realize a comprehensive fundamental study of perpendicular (PMA) materials for the two rf functions and to evaluate their potential for applications, with emphasis on the detection function exploited for WuR, but also for energy harvesting and possibly for signal generation, where synchronization of several oscillators is important. The experimental results will be accompanied by numerical and analytical modelling.