Известия высших учебных заведений

Прикладная нелинейная динамика

ISSN 0869-6632 (Print)
ISSN 2542-1905 (Online)

Для цитирования:

Никитин А. А., Комлев А. Е., Никитин А. А., Устинов А. Б. Перестраиваемая спин-волновая линия задержки на основе феррита и диоксида ванадия // Известия вузов. ПНД. 2022. Т. 30, вып. 5. С. 605-616. DOI: 10.18500/0869-6632-003006, EDN: TXDSAP

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Полный текст в формате PDF(Ru):
Иконка PDF and_2022_5_nikitin-et-al_605-616.pdf
(загрузок: 0)
Полный текст в формате PDF(En):
Иконка PDF and_2022_5_nikitin_en.pdf
(загрузок: 26)
Язык публикации: 
русский
Рубрика: 
Новое в прикладной физике
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
537.86
DOI: 
10.18500/0869-6632-003006
EDN: 
TXDSAP

Перестраиваемая спин-волновая линия задержки на основе феррита и диоксида ванадия

Авторы: 
Никитин Алексей Александрович , Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)
Комлев Андрей Евгеньевич, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)
Никитин Андрей Александрович, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)
Устинов Алексей Борисович, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)
Аннотация: 

Одним из ключевых элементов современной радиоэлектроники являются линии задержки, которые широко используется как для генерации СВЧ-сигналов, так и для их обработки. Спин-волновые линии задержки на основе эпитаксиальных ферритовых пленок обеспечивают высокие значения времени задержки и малые габариты. Обычно электронное управление временем задержки в таких линиях реализуется только путем изменения напряженности внешнего магнитного поля, что имеет ряд практических недостатков. Использование структур, состоящих из ферритовых пленок и материалов с фазовым переходом металл–диэлектрик, позволяет улучшить рабочие характеристики спин-волновых линий задержки, в частности, снизить их энергопотребление и повысить скорость управления временем задержки. Цель. Разработка перестраиваемой спин-волновой линии задержки на основе пленок феррита и диоксида ванадия, а также исследование ее рабочих характеристик. Методы. Экспериментальные исследования проводились на сконструированном макете перестраиваемой линии задержки СВЧ-сигнала на основе пленок железоиттриевого граната (ЖИГ) и диоксида ванадия (VO2). Ферритовый волновод был изготовлен из эпитаксиальной пленки ЖИГ, выращенной на подложке из гадолиний-галлиевого граната. Пленка диоксида ванадия была сформирована на подложке из диоксида кремния методом реактивного магнетронного распыления на постоянном токе. СВЧ измерения проводились с помощью векторного анализатора цепей R&S®R ZVA40. Результаты. Показано, что в результате фазового перехода металл–диэлектрик, обусловленного нагревом пленки VO2, происходит перестройка дисперсионных характеристик поверхностных спиновых волн в исследуемой линии задержки. Такая перестройка сопровождается изменением групповой скорости рабочих волн, что обеспечивает возможность управления временем задержки. В частности, в работе представлена конструкция линии задержки длиной 5 мм, которая обеспечивает управление временем задержки СВЧ-сигнала в пределах от 130 до 150 нс на частоте 4.33 ГГц. Заключение. Экспериментально продемонстрирован принцип управления временем задержки с помощью фазового перехода металл – диэлектрик, происходящего в пленке VO2. В частности, для исследуемой структуры было установлено, что переход пленки VO2 из непроводящего в проводящее состояние приводит к изменению времени задержки на 15%. Рассмотренные структуры могут быть использованы в различных приложениях, имеющих перспективные применения в области обработки СВЧ-сигналов.

Ключевые слова: 
спиновые волны
феррит
переход металл–диэлектрик
диоксид ванадия
СВЧ-устройства
Благодарности: 
Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации № 075-01024-21-02 от 29.09.2021 (проект FSEE-2021-0015)
Список источников: 
  1. Shahoei H., Yao J. Delay lines // In: Wiley Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering. Hoboken, New Jersey: Wiley, 2014. P. 1–15. DOI: 10.1002/047134608X.W8234.
  2. Ishak W. S. Magnetostatic wave technology: a review // Proc. IEEE. 1988. Vol. 76, no. 2. P. 171– 187. DOI: 10.1109/5.4393.
  3. d’Allivy Kelly O., Anane A., Bernard R., Ben Youssef J., Hahn C., Molpeceres A. H., Carret´ ero C., Jacquet E., Deranlot C., Bortolotti P., Lebourgeois R., Mage J.-C., de Loubens G., Klein O., Cros V., Fert A. Inverse spin Hall effect in nanometer-thick yttrium iron garnet/Pt system // Appl. Phys. Lett. 2013. Vol. 103, no. 8. P. 082408. DOI: 10.1063/1.4819157.
  4. Costa J. D., Figeys B., Sun X., Van Hoovels N., Tilmans H. A., Ciubotaru F., Adelmann C. Compact tunable YIG-based RF resonators // Appl. Phys. Lett. 2021. Vol. 118, no. 16. P. 162406. DOI: 10.1063/5.0044993.
  5. Lammel M., Scheffler D., Pohl D., Swekis P., Reitzig S., Piontek S., Reichlova H., Schlitz R., Geishendorf K., Siegl L., Rellinghaus B., Eng L. M., Nielsch K., Goennenwein S. T. B., Thomas A. Atomic layer deposition of yttrium iron garnet thin films // Phys. Rev. Mater. 2022. Vol. 6, no. 4. P. 044411. DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.6.044411.
  6. Adam J. D. Analog signal processing with microwave magnetics // Proc. IEEE. 1988. Vol. 76, no. 2. P. 159–170. DOI: 10.1109/5.4392.
  7. Adam J. D., Daniel M. R., Okeeffe T. W. Magnetostatic wave devices // Microw. J. 1982. Vol. 25. P. 95–99.
  8. Chang K. W., Owens J. M., Carter R. L. Linearly dispersive time-delay control of magnetostatic surface wave by variable ground-plane spacing // Electron. Lett. 1983. Vol. 19, no. 14. P. 546–547. DOI: 10.1049/el:19830370.
  9. Ustinov A. B., Demidov V. E., Kalinikos B. A. Electronically tunable nondispersive magnetostatic wave delay line // Electron. Lett. 2001. Vol. 37, no. 19. P. 1161–1162. DOI: 10.1049/el:20010809.
  10. Высоцкий С. Л., Казаков Г. Т., Кожевников А. В., Никитов С. А., Романов А. В., Филимонов Ю. А. Бездисперсионная линия задержки на магнитостатических волнах // Письма в ЖТФ. 2006. Т. 32, № 15. С. 45–50.
  11. Kabos P., Stalmachov V. S. Magnetostatic Waves and Their Application. Dordrecht: Springer, 1994. 303 p. DOI: 10.1007/978-94-011-1246-8.
  12. Веселов А. Г., Высоцкий С. Л., Казаков Г. Т., Сухарев А. Г., Филимонов Ю. А. Поверхностные магнитостатические волны в металлизированных пленках ЖИГ // Радиотехника и электроника. 1994. Т. 39, № 12. С. 2067–2074.
  13. Vopson M. M. Fundamentals of multiferroic materials and their possible applications // Crit. Rev. Solid State Mater. Sci. 2015. Vol. 40, no. 4. P. 223–250. DOI: 10.1080/10408436.2014.992584.
  14. Palneedi H., Annapureddy V., Priya S., Ryu J. Status and perspectives of multiferroic magnetoelectric composite materials and applications // Actuators. 2016. Vol. 5, no. 1. P. 9. DOI: 10.3390/ act5010009.
  15. Ustinov A.B., Drozdovskii A.V., Nikitin A.A., Semenov A.A., Bozhko D.A., Serga A. A., Hillebrands B., Lahderanta E., Kalinikos B. A. Dynamic electromagnonic crystal based on artificial multiferroic heterostructure // Commun. Phys. 2019. Vol. 2, no. 1. P. 137. DOI: 10.1038/s42005-019-0240-7.
  16. Fetisov Y. K., Srinivasan G. Electrically tunable ferrite-ferroelectric microwave delay lines // Appl. Phys. Lett. 2005. Vol. 87, no. 10. P. 103502. DOI: 10.1063/1.2037860. 
  17. Shi R., Shen N., Wang J., Wang W., Amini A., Wang N., Cheng C. Recent advances in fabrication strategies, phase transition modulation, and advanced applications of vanadium dioxide // Appl. Phys. Rev. 2019. Vol. 6, no. 1. P. 011312. DOI: 10.1063/1.5087864.
  18. Ruzmetov D., Gopalakrishnan G., Ko C., Narayanamurti V., Ramanathan S. Three-terminal field effect devices utilizing thin film vanadium oxide as the channel layer // J. Appl. Phys. 2010. Vol. 107, no. 11. P. 114516. DOI: 10.1063/1.3408899.
  19. Zhou Y., Ramanathan S. Mott memory and neuromorphic devices // Proc. IEEE. 2015. Vol. 103, no. 8. P. 1289–1310. DOI: 10.1109/JPROC.2015.2431914.
  20. Safi T. S., Zhang P., Fan Y., Guo Z., Han J., Rosenberg E. R., Ross C., Tserkovnyak Y., Liu L. Variable spin-charge conversion across metal-insulator transition // Nat. Commun. 2020. Vol. 11, no. 1. P. 476. DOI: 10.1038/s41467-020-14388-9.
  21. Morin F. J. Oxides which show a metal-to-insulator transition at the Neel temperature // Phys. Rev. Lett. 1959. Vol. 3, no. 1. P. 34–36. DOI: 10.1103/PhysRevLett.3.34.
  22. Andreeva N. V., Turalchuk P. A., Chigirev D. A., Vendik I. B., Ryndin E. A., Luchinin V. V. Electron impact processes in voltage-controlled phase transition in vanadium dioxide thin films // Chaos, Solitons & Fractals. 2021. Vol. 142. P. 110503. DOI: 10.1016/j.chaos.2020.110503.
  23. Cavalleri A., Toth C., Siders C. W., Squier J. A., Raksi F., Forget P., Kieffer J. C. Femtosecond structural dynamics in VO2 during an ultrafast solid-solid phase transition // Phys. Rev. Lett. 2001. Vol. 87, no. 23. P. 237401. DOI: 10.1103/PhysRevLett.87.237401.
  24. Kikuzuki T., Lippmaa M. Characterizing a strain-driven phase transition in VO2 // Appl. Phys. Lett. 2010. Vol. 96, no. 13. P. 132107. DOI: 10.1063/1.3380599.
  25. Nikitin A. A., Vitko V. V., Nikitin A. A., Ustinov A. B., Karzin V. V., Komlev A. E., Kalinikos B. A., Lahderanta E. Spin-wave phase shifters utilizing metal–insulator transition // IEEE Magn. Lett. 2018. Vol. 9. P. 3706905. DOI: 10.1109/LMAG.2018.2874172.
  26. Nikitin A. A., Vitko V. V., Nikitin A. A., Ustinov A. B., Kalinikos B. A. Microwave tunable devices on the YIG-VO2 structures // J. Phys. Conf. Ser. 2019. Vol. 1400, no. 4. P. 044001. DOI: 10.1088/1742- 6596/1400/4/044001.
  27. Nikitin A. A., Nikitin A. A., Ustinov A. B., Komlev A. E., Lahderanta E., Kalinikos B. A. Metal– insulator switching of vanadium dioxide for controlling spin-wave dynamics in magnonic crystals // J. Appl. Phys. 2020. Vol. 128, no. 18. P. 183902. DOI: 10.1063/5.0027792.
  28. Cueff S., John J., Zhang Z., Parra J., Sun J., Orobtchouk R., Ramanathan S., Sanchis P. VO2 nanophotonics // APL Photonics. 2020. Vol. 5, no. 11. P. 110901. DOI: 10.1063/5.0028093.
  29. Watt S., Kostylev M., Ustinov A. B., Kalinikos B. A. Implementing a magnonic reservoir computer model based on time-delay multiplexing // Phys. Rev. Appl. 2021. Vol. 15, no. 6. P. 064060. DOI: 10.1103/PhysRevApplied.15.064060.
  30. Nikitin A. A., Nikitin A. A., Ustinov A. B., Watt S., Kostylev M. P. Theoretical model for nonlinear spin-wave transient processes in active-ring oscillators with variable gain and its application for magnonic reservoir computing // J. Appl. Phys. 2022. Vol. 131, no. 11. P. 113903. 10.1063/ 5.0081142.
  31. Chumak A. V., Kabos P., Wu M., Abert C., Adelmann C., Adeyeye A. O., Akerman J., Aliev F. G., Anane A., Awad A., Back C. H., Barman A., Bauer G. E. W., Becherer M., Beginin E. N., Bittencourt V. A. S. V., Blanter Y. M., Bortolotti P., Boventer I., Bozhko D. A., Bunyaev S. A., Carmiggelt J. J., Cheenikundil R. R., Ciubotaru F., Cotofana S., Csaba G., Dobrovolskiy O. V., Dubs C., Elyasi M., Fripp K. G., Fulara H., Golovchanskiy I. A., Gonzalez-Ballestero C., Graczyk P., Grundler D., Gruszecki P., Gubbiotti G., Guslienko K., Haldar A., Hamdioui S., Hertel R., Hillebrands B., Hioki T., Houshang A., Hu C.-M., Huebl H., Huth M., Iacocca E., Jungfleisch M. B., Kakazei G. N., Khitun A., Khymyn R., Kikkawa T., Klaui M., Klein O., Klos J. W., Knauer S., Koraltan S., Kostylev M., Krawczyk M., Krivorotov I. N., Kruglyak V. V., Lachance-Quirion D., Ladak S., Lebrun R., Li Y., Lindner M., Macedo R., Mayr S., Melkov G. A., Mieszczak S., Nakamura Y., Nembach H. T., Nikitin A. A., Nikitov S. A., Novosad V., Otalora J. A., Otani Y., Papp A., Pigeau B., Pirro P., Porod W., Porrati F., Qin H., Rana B., Reimann T., Riente F., Romero-Isart O., Ross A., Sadovnikov A. V., Safin A. R., Saitoh E., Schmidt G., Schultheiss H., Schultheiss K., Serga A. A., Sharma S., Shaw J. M., Suess D., Surzhenko O., Szulc K., Taniguchi T., Urbanek M., Usami K., Ustinov A. B., van der Sar T., van Dijken S., Vasyuchka V. I., Verba R., Viola Kusminskiy S., Wang Q., Weides M., Weiler M., Wintz S., Wolski S. P., Zhang X. Advances in magnetics roadmap on spin-wave computing // IEEE Trans. Magn. 2022. Vol. 58, no. 6. P. 0800172. DOI: 10.1109/TMAG.2022.3149664. 
Поступила в редакцию: 
02.06.2022
Принята к публикации: 
14.07.2022
Опубликована: 
30.09.2022
  • 2857 просмотров