The stable precession region in the spintronic oscillator with an in-plane magnetic tunnel junction is very narrow under small external fields, restricting its applications such as for microwave generators. Here, we show that this region can be greatly enlarged by introducing competing effects between different torques. Moreover, we observe large-angle precessions at zero external field, which leads to large output power. We further evaluate the oscillator performance in a voltage-input device, where the circuit area can be minimized and the difficulty in accurate current control can be resolved. The operating voltage window in the proposed device is over 1.23 V, and its frequency can be adjusted from 1.6 to 4.9 GHz. A maximum output power of 0.28 μW is obtained at an energy consumption of 2.2 mW. This study should provide insights into designing voltage-input spintronic oscillators.

1.
Z.
Li
and
K. O.
Kenneth
,
IEEE J. Solid-State Circuits
40
,
1296
(
2005
).
2.
S.
Milicevic
,
L.
MacEachern
, and
S.
Mahmoud
, in
IEEE Northeast Workshop on Circuits and Systems
(IEEE,
2007
), p.
486
, available at https://ieeexplore.ieee.org/document/4487967.
3.
L.
Dai
and
R.
Harjani
,
Design of High-Performance CMOS Voltage-Controlled Oscillators
(
Kluwer Academic Publishers
,
Boston
,
MA
,
2003
).
4.
S. E.
Russek
,
W. H.
Rippard
,
T.
Cecil
, and
R.
Heindl
, in
Handbook of Nanophysics: Functional Nanomaterials
, edited by
K. D.
Sattler
(
CRC Press
,
2010
).
5.
Z.
Zeng
,
G.
Finocchio
, and
H.
Jiang
,
Nanoscale
5
,
2219
(
2013
).
6.
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
).
7.
A. V.
Nazarov
,
K.
Nikolaev
,
Z.
Gao
,
H.
Cho
, and
D.
Song
,
J. Appl. Phys.
103
,
07A503
(
2008
).
8.
W. H.
Rippard
,
M. R.
Pufall
,
S.
Kaka
,
S. E.
Russek
, and
T. J.
Silva
,
Phys. Rev. Lett.
92
,
027201
(
2004
).
9.
U.
Ebels
,
D.
Houssameddine
,
I.
Firastrau
,
D.
Gusakova
,
C.
Thirion
,
B.
Dieny
, and
L. D.
Buda-Prejbeanu
,
Phys. Rev. B
78
,
024436
(
2008
).
10.
W. H.
Rippard
,
A. M.
Deac
,
M. R.
Pufall
,
J. M.
Shaw
,
M. W.
Keller
,
S. E.
Russek
,
G. E. W.
Bauer
, and
C.
Serpico
,
Phys. Rev. B
81
,
014426
(
2010
).
11.
M.
Hiroki
,
K.
Hitoshi
,
S.
Yoshishige
,
S.
Takayuki
,
N.
Kazumasa
,
N.
Yoshinori
,
T.
Koji
,
F.
Akio
,
A.
Hiroko
, and
T.
Tomohiro
,
Appl. Phys. Express
7
,
023003
(
2014
).
12.
H.
Ryo
,
K.
Hitoshi
,
T.
Sumito
,
T.
Shingo
,
Y.
Kay
,
F.
Akio
,
M.
Rie
,
I.
Hiroshi
, and
Y.
Shinji
,
Appl. Phys. Express
9
,
053006
(
2016
).
13.
K.
Hitoshi
,
Y.
Kay
,
F.
Akio
,
T.
Shingo
,
K.
Makoto
,
N.
Takayuki
,
I.
Shota
,
S.
Takeshi
,
Y.
Shinji
, and
T.
Tomohiro
,
Appl. Phys. Express
6
,
103003
(
2013
).
14.
F.
Ciarán
,
S.
Volker
,
B.
Kerstin
,
L.
Jürgen
,
F.
Jürgen
,
H. R.
William
,
R. P.
Matthew
,
E. R.
Stephen
, and
M. D.
Alina
,
Appl. Phys. Express
7
,
043001
(
2014
).
15.
A.
Hiroko
,
M.
Rie
,
Y.
Shinji
, and
I.
Hiroshi
,
Appl. Phys. Express
8
,
083005
(
2015
).
16.
K. J.
Lee
,
O.
Redon
, and
B.
Dieny
,
Appl. Phys. Lett.
86
,
022505
(
2005
).
17.
D.
Houssameddine
,
U.
Ebels
,
B.
Delaet
,
B.
Rodmacq
,
I.
Firastrau
,
F.
Ponthenier
,
M.
Brunet
,
C.
Thirion
,
J. P.
Michel
, and
L.
Prejbeanu-Buda
,
Nat. Mater.
6
,
447
(
2007
).
18.
C. H.
Sim
,
S. Y. H.
Lua
,
T.
Liew
, and
J. G.
Zhu
,
J. Appl. Phys.
109
,
07C905
(
2011
).
19.
L.
Liu
,
C.-F.
Pai
,
Y.
Li
,
H. W.
Tseng
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Science
336
,
555
(
2012
).
20.
M. I.
Dyakonov
and
V. I.
Perel
,
Phys. Lett. A
35
,
459
(
1971
).
21.
A.
Bakun
,
B.
Zakharchenya
,
A.
Rogachev
,
M.
Tkachuk
, and
V.
Fleisher
,
Sov. Phys. JETP Lett.
40
,
1293
(
1984
).
22.
I.
Mihai Miron
,
G.
Gaudin
,
S.
Auffret
,
B.
Rodmacq
,
A.
Schuhl
,
S.
Pizzini
,
J.
Vogel
, and
P.
Gambardella
,
Nat. Mater.
9
,
230
(
2010
).
23.
A.
Manchon
and
S.
Zhang
,
Phys. Rev. B
79
,
094422
(
2009
).
24.
H.
Kurebayashi
,
J.
Sinova
,
D.
Fang
,
A. C.
Irvine
,
T. D.
Skinner
,
J.
Wunderlich
,
V.
Novak
,
R. P.
Campion
,
B. L.
Gallagher
, and
E. K.
Vehstedt
,
Nat. Nanotechnol.
9
,
211
(
2014
).
25.
S.
Manipatruni
,
D. E.
Nikonov
, and
I. A.
Young
,
Appl. Phys. Express
7
,
103001
(
2014
).
26.
V. E.
Demidov
,
S.
Urazhdin
,
H.
Ulrichs
,
V.
Tiberkevich
,
A.
Slavin
,
D.
Baither
,
G.
Schmitz
, and
S. O.
Demokritov
,
Nat. Mater.
11
,
1028
(
2012
).
27.
L.
Liu
,
C.-F.
Pai
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Phys. Rev. Lett.
109
,
186602
(
2012
).
28.
V. E.
Demidov
,
S.
Urazhdin
,
A.
Zholud
,
A. V.
Sadovnikov
, and
S. O.
Demokritov
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
172410
(
2014
).
29.
Z.
Duan
,
A.
Smith
,
L.
Yang
,
B.
Youngblood
,
J.
Lindner
,
V. E.
Demidov
,
S. O.
Demokritov
, and
I. N.
Krivorotov
,
Nat. Commun.
5
,
5616
(
2014
).
30.
K.-J.
Lee
,
A.
Deac
,
O.
Redon
,
J.-P.
Nozières
, and
B.
Dieny
,
Nat. Mater.
3
,
877
(
2004
).
31.
T.
Chen
,
R. K.
Dumas
,
A.
Eklund
,
P. K.
Muduli
,
A.
Houshang
,
A. A.
Awad
,
P.
Dürrenfeld
,
B. G.
Malm
,
A.
Rusu
, and
J.
Åkerman
,
Proc. IEEE
104
,
1919
(
2016
).
32.
H.
Lim
,
S.
Ahn
,
M.
Kim
,
S.
Lee
, and
H.
Shin
,
Adv. Condensed Matter Phys.
2013
,
169312
(
2013
).
33.
S.
Ikeda
,
K.
Miura
,
H.
Yamamoto
,
K.
Mizunuma
,
H. D.
Gan
,
M.
Endo
,
S.
Kanai
,
J.
Hayakawa
,
F.
Matsukura
, and
H.
Ohno
,
Nat. Mater.
9
,
721
(
2010
).
34.
A.
Aharoni
,
J. Appl. Phys.
83
,
3432
(
1998
).
35.
R.
Engel-Herbert
and
T.
Hesjedal
,
J. Appl. Phys.
97
,
074504
(
2005
).
36.
H.
Akimoto
,
H.
Kanai
,
Y.
Uehara
,
T.
Ishizuka
, and
S.
Kameyama
,
J. Appl. Phys.
97
,
10N705
(
2005
).
37.
Y.
Nagamine
,
H.
Maehara
,
K.
Tsunekawa
,
D. D.
Djayaprawira
,
N.
Watanabe
,
S.
Yuasa
, and
K.
Ando
,
Appl. Phys. Lett.
89
,
162507
(
2006
).
38.
Y.
Zhang
,
W.
Zhao
,
Y.
Lakys
,
J. O.
Klein
,
J.-V.
Kim
,
D.
Ravelosona
, and
C.
Chappert
,
IEEE Trans. Electron Devices
59
,
819
(
2012
).
39.
Y.
Tserkovnyak
,
A.
Brataas
, and
G. E. W.
Bauer
,
Phys. Rev. Lett.
88
,
117601
(
2002
).
40.
L.
Liu
,
T.
Moriyama
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Phys. Rev. Lett.
106
,
036601
(
2011
).
41.
A. A.
Awad
,
P.
Dürrenfeld
,
A.
Houshang
,
M.
Dvornik
,
E.
Iacocca
,
R. K.
Dumas
, and
J.
Åkerman
,
Nat. Phys.
13
,
292
(
2016
).
42.
J. C.
Slonczewski
,
J. Magn. Magn. Mater.
159
,
L1
(
1996
).
43.
44.
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
).
45.
I.
Theodonis
,
N.
Kioussis
,
A.
Kalitsov
,
M.
Chshiev
, and
W. H.
Butler
,
Phys. Rev. Lett.
97
,
237205
(
2006
).
46.
J. C.
Sankey
,
Y.-T.
Cui
,
J. Z.
Sun
,
J. C.
Slonczewski
,
R. A.
Buhrman
, and
D. C.
Ralph
,
Nat. Phys.
4
,
67
(
2008
).
47.
H.
Kubota
,
A.
Fukushima
,
K.
Yakushiji
,
T.
Nagahama
,
S.
Yuasa
,
K.
Ando
,
H.
Maehara
,
Y.
Nagamine
,
K.
Tsunekawa
, and
D. D.
Djayaprawira
,
Nat. Phys.
4
,
37
(
2008
).
48.
A.
Chanthbouala
,
R.
Matsumoto
,
J.
Grollier
,
V.
Cros
,
A.
Anane
,
A.
Fert
,
A. V.
Khvalkovskiy
,
K. A.
Zvezdin
,
K.
Nishimura
, and
Y.
Nagamine
,
Nat. Phys.
7
,
626
(
2011
).
49.
S.
Petit
,
C.
Baraduc
,
C.
Thirion
,
U.
Ebels
,
Y.
Liu
,
M.
Li
,
P.
Wang
, and
B.
Dieny
,
Phys. Rev. Lett.
98
,
077203
(
2007
).
50.
Z.
Li
,
S.
Zhang
,
Z.
Diao
,
Y.
Ding
,
X.
Tang
,
D. M.
Apalkov
,
Z.
Yang
,
K.
Kawabata
, and
Y.
Huai
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
246602
(
2008
).
51.
O. G.
Heinonen
,
S. W.
Stokes
, and
J. Y.
Yi
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
066602
(
2010
).
52.
J.
Xiao
,
G. E. W.
Bauer
, and
A.
Brataas
,
Phys. Rev. B
77
,
224419
(
2008
).
53.
S.-C.
Oh
,
S.-Y.
Park
,
A.
Manchon
,
M.
Chshiev
,
J.-H.
Han
,
H.-W.
Lee
,
J.-E.
Lee
,
K.-T.
Nam
,
Y.
Jo
, and
Y.-C.
Kong
,
Nat. Phys.
5
,
898
(
2009
).
54.
H.
Li
,
H.
Gao
,
L. P.
Zârbo
,
K.
Výborný
,
X.
Wang
,
I.
Garate
,
F.
Doǧan
,
A.
Čejchan
,
J.
Sinova
, and
T.
Jungwirth
,
Phys. Rev. B
91
,
134402
(
2015
).
55.
L.
Liu
,
O. J.
Lee
,
T. J.
Gudmundsen
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Phys. Rev. Lett.
109
,
096602
(
2012
).
56.
C.-F.
Pai
,
L.
Liu
,
Y.
Li
,
H. W.
Tseng
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Appl. Phys. Lett.
101
,
122404
(
2012
).
57.
Y.
Suzuki
and
H.
Kubota
,
J. Phys. Soc. Jpn.
77
,
031002
(
2008
).
58.
K.
Garello
,
I. M.
Miron
,
C. O.
Avci
,
F.
Freimuth
,
Y.
Mokrousov
,
S.
Blügel
,
S.
Auffret
,
O.
Boulle
,
G.
Gaudin
, and
P.
Gambardella
,
Nat. Nanotechnol.
8
,
587
(
2013
).
59.
J.
Kim
,
J.
Sinha
,
M.
Hayashi
,
M.
Yamanouchi
,
S.
Fukami
,
T.
Suzuki
,
S.
Mitani
, and
H.
Ohno
,
Nat. Mater.
12
,
240
(
2013
).
60.
D. V.
Dimitrov
,
Z.
Gao
,
X.
Wang
,
W.
Jung
,
X.
Lou
, and
O. G.
Heinonen
,
Appl. Phys. Lett.
94
,
123110
(
2009
).
61.
S.
Kaka
,
M. R.
Pufall
,
W. H.
Rippard
,
T. J.
Silva
,
S. E.
Russek
, and
J. A.
Katine
,
Nature
437
,
389
(
2005
).
62.
L.
Luo
,
M.
Kabir
,
N.
Dao
,
S.
Kittiwatanakul
,
M.
Cyberey
,
S. A.
Wolf
,
M.
Stan
, and
J.
Lu
,
J. Magn. Magn. Mater.
432
,
356
(
2017
).
63.
A.
Vansteenkiste
,
J.
Leliaert
,
M.
Dvornik
,
M.
Helsen
,
F.
Garcia-Sanchez
, and
B. V.
Waeyenberge
,
AIP Adv.
4
,
107133
(
2014
).
You do not currently have access to this content.