Spin torque oscillator has been considered as next generation microwave oscillator as it has small size that enables on-chip integration and good oscillation signal qualities. Although it is most desirable to have working spin torque oscillator in zero external magnetic bias condition for on-chip integration, the requirement of such condition accompanies with a serious degradation in working frequency range of the device. In this paper we show that very small spin torque oscillators shows high frequency oscillation behavior in zero field regime due to stray magnetic field generated by magnetic loop made in anti-parallel state of magneto tunnel junction. The oscillator shows three mode of oscillation under zero-field condition as the applied current level increases. Each of the modes operates in different frequency range with different power which enables them to be used for different application purposes. Effect of shape on the oscillation properties and modes are also speculated. In addition new way to tune the frequency of spin torque oscillator is suggested using mechanical stress. The analysis reveals that real-time mode optimization is possible in similar way that was done by shape anisotropy. It is also shown that frequency modulation of spin torque oscillator is more dominant when ferromagnetic layer of device is composed of material with lower saturation magnetization.
스핀 토크 오실레이터는 그 작은 크기에 의한 on-chip 소자로서의 사용 가능성과 높은 작동 주파수, 높은 Q-factor와 같은 바람직한 주파수 특성을 기반으로 차세대 마이크로파 발진기의 가능성을 인정받고 있다. 한편, 작동을 위해 외부 자기장을 걸어주어야 하는 스핀 토크 오실레이터의 특성은 on-chip 소자로서 사용되기 위해서는 극복해야 할 과제 중 하나이다. 이러한 단점을 극복하기 위해 여러가지 연구가 시도되었으나 현재까지는 외부 자기장이 없는 영역에서의 토크 오실레이터는 기존에 가지고 있던 높은 발진 주파수와 발진 주파수의 튜닝 가능성이라는 장점을 살리지 못하였다. 본 논문에서는 스핀 토크 오실레이터가 작아짐으로 인해 나타나는 표유 전자계 (stray field)를 이용하여 스핀 토크 오실레이터의 높은 주파수 특성을 살리고 동작 전류 레벨에 따라 달라지는 3가지 모드를 분석한다. 이러한 모드 특성들은 스핀 토크 오실레이터의 형태에 따라 최적화 될 수 있으며 이에 따른 스핀 토크 오실레이터의 응용가능성에 대해 알아본다. 또한, 외부자기장이 존재하지 않는 상태의 스핀 토크 오실레이터에 대해 주파수 튜닝을 가능하게 하는 새로운 방안으로서 기계적인 스트레스를 가해주는 방법을 제안한다. 기계적인 스트레스로 인해 기인하는 자기 변형 효과에 의해 실시간으로 스핀 토크 오실레이터의 최적화가 가능하며, 포화 자화가 작은 강자성 물질을 사용하는 경우, 특정 발진 영역에서의 주파수 튜닝이 크게 나타나는 것을 확인 할 수 있었다.