Simulazione e progetto di dispositivo spintronico per harvesting elettromagnetico

Spintronics devices that exploit the spin degree of freedom have proven to be versatile for low-power radio frequency rectification, and sensing applications. Conven- tionally, control of magnetization dynamics relies on mechanisms such as spin-transfer torque (STT) or spin–orbit torques (SOT), which require relatively high current densities and endure losses due to ohmic heating and parasitic effects. In contrast, strain-mediated magnetoelectric (ME) coupling offers a promising low-energy pathway: mechanical strain generated in a magnetostrictive layer can be transferred to an adjacent magnetic layer and act as an effective torque on its magnetization. Such strain control can reduce reliance on large currents, potentially allowing ultra-efficient switching or excitation at nanoscale dimensions. Recent works have shown that strain (or voltage-induced strain) can reorient magnetic anisotropy or modify switching fields in magnetic tunnel junction (MTJ) systems. In our study, we focus on a hybrid structure composed of a magnetostrictive FeGaB layer, an insulating SiO2 barrier, and a CoFeB-free layer. The main goal of our study is to probe the magnetoelastic coupling mechanism (i.e., how the strain in FeGaB couples through SiO2 to influence magnetization in CoFeB) before full MTJ-level simulation or full-device performance evaluation. Specifically, our objective is to understand how structural parameters such as layer thickness, interface coupling strength, and magnetostriction constants affect the dynamic coupling behavior. Through this stage, we will identify the critical constraints and coupling efficiency that later feed into the full magnetization dynamics and rectification modeling. By placing strain-mediated coupling at the center, this work lays the foundation for future hybrid MTJ devices where combined strain and spin-torque effects yield high sensitivity at minimal power consumption.

I dispositivi spintronici che sfruttano il grado di libertà di spin si sono rivelati estremamente versatili per la rettificazione a radiofrequenza a bassa potenza e per applicazioni di sensoristica avanzata. Tradizionalmente, il controllo della dinamica di magnetizzazione è affidato a meccanismi quali lo spin-transfer torque (STT) e lo spin–orbit torque (SOT), che tuttavia richiedono densità di corrente elevate e comportano inevitabili perdite dovute al riscaldamento ohmico e a effetti parassiti. In alternativa, l’accoppiamento magnetoelettrico (ME) mediato da deformazione rappresenta una via promettente a basso consumo energetico: la deformazione mec- canica generata in uno strato magnetostrittivo può essere trasferita a uno strato magnetico adiacente, esercitando su di esso una coppia efficace. Questo tipo di con- trollo basato sulla deformazione consente di ridurre significativamente la dipendenza da correnti elevate e abilita potenzialmente commutazioni o eccitazioni ultra-efficienti su scala nanometrica. Studi recenti hanno infatti dimostrato che la deformazione (o la deformazione indotta elettricamente) è in grado di riallineare l’anisotropia magnetica o modificare il campo di scambio in strutture quali le magnetic tunnel junctions (MTJ). In questo studio, l’attenzione è stata posta su una struttura ibrida composta da uno strato magnetostrittivo di FeGaB, una barriera isolante di SiO2 e uno strato libero di CoFeB. L’obiettivo principale dello studio è indagare il meccanismo di accoppiamento magnetoelastico (cioè, come la deformazione in FeGaB si accoppia attraverso lo strato di SiO2 per influenzare la magnetizzazione in CoFeB) prima di procedere alla simulazione a livello di MTJ o alla valutazione delle prestazioni dell’intero dispositivo. In particolare, l’obiettivo è comprendere come parametri strutturali quali lo spessore degli strati, la forza di accoppiamento all’interfaccia e le costanti di magnetostrizione influenzino il comportamento dinamico dell’accoppiamento. Attraverso questa fase, saranno individuati i vincoli critici e l’efficienza dell’accoppiamento, che successiva- mente alimenteranno la modellizzazione completa della dinamica di magnetizzazione e della rettificazione. Concentrandosi sull’accoppiamento mediato da deformazione, questo studio pone le basi per futuri dispositivi MTJ ibridi, in cui la combinazione di controllo meccanico e spin–torque potrebbe consentire di ottenere elevata sensibilità con consumi di potenza estremamente ridotti.