We reported microwave measurements on a nanoscale MgO-based magnetic tunnel junction having an elliptical shape with large aspect ratios to obtain enough in-plane shape anisotropy to ensure free layer magnetization along the long axis. Combined with the magnetization of a synthetic antiferromagnet pinned layer along the short axis, this results in the perpendicular configuration between the magnetizations of free and pinned layers. A steady high frequency oscillation up to 5 GHz was achieved in such devices at zero magnetic field. Meanwhile, a large frequency tunability of 0.11 Hz·cm2/mA (2.67 GHz/mA) was obtained. The micromagnetic simulations confirm the origin of the high oscillation frequency of our spin transfer nano-oscillators (STNOs). These results suggest the great possibility of improved integration and potential application of STNOs for developing the next-generation of on-chip oscillators.

1.
S. I.
Kiselev
,
J. C.
Sankey
,
I. N.
Krivorotov
,
N. C.
Emley
,
R. J.
Schoelkopf
,
R. A.
Buhrman
, and
D. C.
Ralph
,
Nature
425
,
380
(
2003
).
2.
S. I.
Kiselev
,
J. C.
Sankey
,
I. N.
Krivorotov
,
N. C.
Emley
,
M.
Rinkoski
,
C.
Perez
,
R. A.
Buhrman
, and
D. C.
Ralph
,
Phys. Rev. Lett.
93
,
036601
(
2004
).
3.
D.
Houssameddine
,
U.
Ebels
,
B.
Delaet
,
B.
Rodmacq
,
I.
Firastrau
,
F.
Ponthenier
,
M.
Brunet
,
C.
Thirion
,
J.-P.
Michel
,
L.
Prejbeanu-Buda
,
M.-C.
Cyrille
,
O.
Redon
, and
B.
Dieny
,
Nat. Mater.
6
,
447
(
2007
).
4.
J. C.
Slonczewski
,
J. Magn. Magn. Mater.
159
,
L1
(
1996
).
5.
L.
Berger
,
Phys. Rev. B
54
,
9353
(
1996
).
6.
W. H.
Rippard
,
M. R.
Pufall
,
S.
Kaka
,
S. E.
Russek
, and
T. J.
Silva
,
Phys. Rev. Lett.
92
,
027201
(
2004
).
7.
Z. M.
Zeng
,
G.
Finocchio
, and
H. W.
Jiang
,
Nanoscale
5
,
2219
(
2013
).
8.
B.
Fang
,
M.
Carpentieri
,
X.
Hao
,
H.
Jiang
,
J. A.
Katine
,
I. N.
Krivorotov
,
B.
Ocker
,
J.
Langer
,
K. L.
Wang
,
B.
Zhang
,
B.
Azzerboni
,
P. K.
Amiri
,
G.
Finocchio
, and
Z. M.
Zeng
,
Nat. Commun.
7
,
11259
(
2016
).
9.
D.
Tiwari
,
N.
Sisodia
,
R.
Sharma
,
P.
Dürrenfeld
,
J.
Åkerman
, and
P. K.
Muduli
,
Appl. Phys. Lett.
108
,
082402
(
2016
).
10.
J.
Zhu
,
X.
Zhu
, and
Y.
Tang
,
IEEE Trans. Magn.
44
,
125
(
2008
).
11.
A. M.
Deac
,
A.
Fukushima
,
H.
Kubota
,
H.
Maehara
,
Y.
Suzuki
,
S.
Yuasa
,
Y.
Nagamine
,
K.
Tsunekawa
,
D. D.
Djayaprawira
, and
N.
Watanabe
,
Nat. Phys.
4
,
803
(
2008
).
12.
A.
Dussaux
,
B.
Georges
,
J.
Grollier
,
V.
Cros
,
A. V.
Khvalkovskiy
,
A.
Fukushima
,
M.
Konoto
,
H.
Kubota
,
K.
Yakushiji
,
S.
Yuasa
,
K. A.
Zvezdin
,
K.
Ando
, and
A.
Fert
,
Nat. Commun.
1
,
8
(
2010
).
13.
Z.
Zeng
,
P. K.
Amiri
,
I. N.
Krivorotov
,
H.
Zhao
,
G.
Finocchio
,
J.-P.
Wang
,
J. A.
Katine
,
Y.
Huai
,
J.
Langer
,
K.
Galatsis
,
K. L.
Wang
, and
H.
Jiang
,
ACS Nano
6
,
6115
(
2012
).
14.
S.
Tsunegi
,
K.
Yakushiji
,
A.
Fukushima
,
S.
Yuasa
, and
H.
Kubota
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
252402
(
2016
).
15.
W. H.
Rippard
,
A. M.
Deac
,
M. R.
Pufall
,
J. M.
Shaw
,
M. K.
Keller
,
S. E.
Russek
,
G. E. W.
Bauer
, and
C.
Serpico
,
Phys. Rev. B
81
,
014426
(
2010
).
16.
Z. M.
Zeng
,
P.
Upadhyaya
,
P.
Khalili Amiri
,
K. H.
Cheung
,
J. A.
Katine
,
J.
Langer
,
K. L.
Wang
, and
H. W.
Jiang
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
032503
(
2011
).
17.
P.
Dürrenfeld
,
F.
Gerhard
,
S. M.
Mohseni
,
M.
Ranjbar
,
S. R.
Sani
,
S.
Chung
,
C.
Gould
,
L. W.
Molenkamp
, and
J.
Åkerman
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
222403
(
2016
).
18.
R.
Lebrun
,
A.
Jenkins
,
A.
Dussaux
,
N.
Locatelli
,
S.
Tsunegi
,
E.
Grimaldi
,
H.
Kubota
,
P.
Bortolotti
,
K.
Yakushiji
,
J.
Grollier
,
A.
Fukushima
,
S.
Yuasa
, and
V.
Cros
,
Phys. Rev. Lett.
115
,
017201
(
2015
).
19.
O.
Boulle
,
V.
Cros
,
J.
Grollier
,
L. G.
Pereira
,
C.
Deranlot
,
F.
Petroff
,
G.
Faini
,
J.
Barnas
, and
A.
Fert
,
Nat. Phys.
3
,
492
(
2007
).
20.
Y.
Zhou
,
C. L.
Zha
,
S.
Bonetti
,
J.
Persson
, and
J.
Akerman
,
J. Appl. Phys.
105
,
07D116
(
2009
).
21.
Y.
Zhou
,
S.
Bonetti
,
C. L.
Zha
, and
J.
Akerman
,
New J. Phys.
11
,
103028
(
2009
).
22.
R.-X.
Wang
,
P.-B.
He
,
Z.-D.
Li
,
A.-L.
Pan
, and
Q.-H.
Liu
,
J. Appl. Phys.
109
,
033905
(
2011
).
23.
Y.
Zhou
,
H.
Zhang
,
Y.
Liu
, and
J.
Akerman
,
J. Appl. Phys.
112
,
063903
(
2012
).
24.
C. G.
Fuentes
,
R. A.
Gallardo
, and
P.
Landeros
,
Appl. Phys. Lett.
107
,
142402
(
2015
).
25.
G.
Lv
,
H.
Zhang
,
X.
Cao
,
Y.
Liu
,
Z.
Hou
,
Y.
Qin
,
G.
Li
, and
L.
Wang
,
AIP Adv.
5
,
077171
(
2015
).
26.
W.
Skowroński
,
T.
Stobiecki
,
J.
Wrona
,
G.
Reiss
, and
S. V.
Dijken
,
Appl. Phys. Express
5
,
063005
(
2012
).
27.
C. H.
Sim
,
M.
Moneck
,
T.
Liew
, and
J.-G.
Zhu
,
J. Appl. Phys.
111
,
07C914
(
2012
).
28.
A.
Dussaux
,
E.
Grimaldi
,
B. R.
Salles
,
A. S.
Jenkins
,
A. V.
Khvalkovskiy
,
P.
Bortolotti
,
J.
Grollier
,
H.
Kubota
,
A.
Fukushima
,
K.
Yakushiji
,
S.
Yuasa
,
V.
Cros
, and
A.
Fert
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
022404
(
2014
).
29.
V. S.
Pribiag
,
I. N.
Krivorotov
,
G. D.
Fuchs
,
P. M.
Braganca
,
O.
Ozatay
,
J. C.
Sankey
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Nat. Phys.
3
,
498
(
2007
).
30.
V. S.
Pribiag
,
G.
Finocchio
,
B. J.
Williams
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Phys. Rev. B
80
,
180411(R)
(
2009
).
31.
Y.
Zhou
,
J.
Xiao
,
G. E. W.
Bauer
, and
F. C.
Zhang
,
Phys. Rev. B
87
,
020409(R)
(
2013
).
32.
P. M.
Braganca
,
K.
Pi
,
R.
Zakai
,
J. R.
Childress
, and
B. A.
Gurney
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
232407
(
2013
).
33.
R. N. S.
Rajapakse
,
Z. M.
Zeng
, and
H. W.
Jiang
,
Phys. Rev. Appl.
14
,
014040
(
2020
).
34.
Z. M.
Zeng
,
G.
Finocchio
,
B. S.
Zhang
,
P. K.
Amiri
,
J. A.
Katine
,
I. N.
Krivorotov
,
Y.
Huai
,
J.
Langer
,
B.
Azzerboni
,
K. L.
Wang
, and
H. W.
Jiang
,
Sci. Rep.
3
,
1426
(
2013
).
35.
B.
Fang
,
J.
Feng
,
H.
Gan
,
R.
Malmhall
,
Y.
Huai
,
R.
Xiong
,
H.
Wei
,
X.
Han
,
B.
Zhang
, and
Z.
Zeng
,
AIP Adv.
6
,
125305
(
2016
).
36.
G.
Gerhart
,
E.
Bankowski
,
G. A.
Melkov
,
V. S.
Tiberkevich
, and
A. N.
Slavin
,
Phys. Rev. B
76
,
024437
(
2007
).
37.
R. K.
Dumas
,
E.
Iacocca
,
S.
Bonetti
,
S. R.
Sani
,
S. M.
Mohseni
,
A.
Eklund
,
J.
Persson
,
O.
Heinonen
, and
J.
Åkerman
,
Phys. Rev. Lett.
110
,
257202
(
2013
).
38.
C.
Kittel
,
Introduction to Solid State Physics
, 8th ed. (
Wiley
,
New York
,
2005
).
39.
A.
Conca
,
E. Th.
Papaioannou
,
S.
Klingler
,
J.
Greser
,
T.
Sebastian
,
B.
Leven
,
J.
Lösch
, and
B.
Hillebrands
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
182407
(
2014
).
40.
Z. M.
Zeng
,
K. H.
Cheung
,
H. W.
Jiang
,
I. N.
Krivorotov
,
J. A.
Katine
,
V.
Tiberkevich
, and
A.
Slavin
,
Phys. Rev. B
82
,
100410(R)
(
2010
).
41.
A.
Giordano
,
M.
Carpentieri
,
A.
Laudani
,
G.
Gubbiotti
,
B.
Azzerboni
, and
G.
Finocchio
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
042412
(
2014
).
42.
A.
Vansteenkiste
,
J.
Leliaert
,
M.
Dvornik
,
M.
Helsen
,
F. G.
Sanchez
, and
B. V.
Waeyenberge
,
AIP Adv.
4
,
107133
(
2014
).
You do not currently have access to this content.