CN104779342B - 一种基于自旋波干涉及多铁性材料的逻辑器件 - Google Patents
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Abstract
一种基于自旋波干涉及多铁性材料的逻辑器件，自旋波激发区、自旋波分频区、电场调控区、自旋波干涉区、自旋波探测区五个功能区；其基础结构和形状由自旋波传输介质构成，由于自旋波在介质中的色散关系，当外加磁场或介质内部磁性发生改变时，自旋波传输的方向及模式发生改变；本发明是一种能实现信息传输及逻辑运算的逻辑器件。因自旋波基于电子自旋，调控电压基于电场，因此都不产生电子或空穴的移动，有效地避免了电流产生的焦耳热，及漏电流带来的静态功耗问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于自旋波干涉及多铁性材料的逻辑器件的结构设计及功能应用，属于电学领域的基本电气元件类。
背景技术
传统的基于半导体的存储和计算技术，随着集成度增高及电子器件尺寸日益小型化，器件内部由于电流焦耳热而产生的热损耗急剧上升，由量子隧穿效应带来的静态功耗所占比重呈指数增长，愈发成为制约传统存储和逻辑器件的关键因素。
自旋波(Spin Wave)，或称为磁振子(Magnon)，是指在磁有序材料(如铁磁、亚铁磁、反铁磁材料)中电子自旋的集体振动的本征模式。基于自旋波传播的逻辑器件，是一种利用自旋波传播及干涉过程中所携带的相位信息及其变化作为信息载体从而实现数据的传输和逻辑计算的新型电子器件。因自旋波的传播和干涉不依赖于载流子的迁移效应，故而可以突破传统半导体电子器件中的热损耗和静态功耗的瓶颈。
发明内容
一、发明目的：
针对传统半导体电子器件、集成电路，由于热损耗及静态功耗带来的高能耗、低可靠性问题，本发明提供了一种基于自旋波干涉及多铁性材料的逻辑器件，它是一种能实现信息传输及逻辑运算的逻辑器件。因自旋波基于电子自旋，调控电压基于电场，因此都不产生电子或空穴的移动，有效地避免了电流产生的焦耳热，及漏电流带来的静态功耗问题。
二、技术方案：
本发明提出了一种基于自旋波干涉及多铁性材料的逻辑器件，利用了微波与铁磁材料中自旋电子的耦合作用、电致伸缩效应、磁致伸缩逆效应及波的干涉等原理，实现多路自旋波干涉的调控，从而实现信息的传输和逻辑运算。本发明利用电压对多铁性材料层磁性特征的影响，调控传输介质中的自旋波。通过改变调控电压的强弱及有无，可以实现信息的输入，继而通过自旋波的传输和探测，作为输入信息的载体及信息的输出端。其典型结构如附图1所示。
本发明提出的逻辑器件包含多个功能分区，在此具体介绍其中较为重要的五个功能区：自旋波激发区、自旋波分频区、电场调控区、自旋波干涉区、自旋波探测区。附图2为各功能区的功能流程图。
本发明的基础结构和形状由自旋波传输介质构成。由于自旋波在介质中的色散关系，当外加磁场或介质内部磁性发生改变时，自旋波传输的方向及模式发生改变。同时，传输介质中磁场、磁性的变化，可以控制自旋波的分频及干涉。
结构上，自旋波激发区与自旋波探测区的物理结构相同或相似，均由图1中共面波导5及自旋波传输介质1组成。在自旋波激发区，首先将微波信号注入共面波导中，依靠微波信号与介质中自旋电子的耦合作用，使得电子自旋产生差动，形成规律传播的自旋波。自旋波探测区使用的同样是微波信号与自旋波的耦合作用，但此时，是由自旋波耦合产生微波信号，通过共面波导传输至测量仪器中。本发明通过共面波导的设计，可有效控制感应自旋波的波长。
自旋波分频区与自旋波干涉区同样具有相同或相似的物理结构，均是通过改变传输介质局部的磁性来实现，图1中由箭头示意的自旋波传输介质1表示。为了实现磁性的改变，可以外加磁场，也可以改变传输介质的内部磁化方向。功能上，自旋波分频区将一束自旋波分成具有相同频率的多束自旋波；自旋波干涉区将多束自旋波汇集成一束自旋波，其中频率相同的成分发生干涉。需要注意的是，为了能够量化调控自旋波的干涉，各支路长度并不一定相等，可以通过自旋波的波长来区分。
电场调控区主要由多层铁电材料及下方传输介质构成，通过不同的电压数值表征输入信号。如附图1，由金线6、电场调控电极7、电致伸缩层8、磁致伸缩层9及自旋波传输介质1构成。在电场调控区，当外加一个电压信号时，由于电致伸缩效应，电致伸缩层发生应力变化。应力变化传导至磁致伸缩层后，由于磁致伸缩的逆效应，该层材料磁性发生变化，导致传输介质中自旋波的相位和幅度发生改变。对于任意一个支路，自旋波经过电场调控区之后，输入的信息由电场传递至自旋波中。此时，自旋波的相位和幅度作为信息载体，进行传输和逻辑运算。
本发明经过上述多个功能区的有效组合，实现了基于电压调控和自旋波传输、干涉的逻辑器件结构，其步骤如下：
步骤一：利用微波仪器产生微波信号，注入共面波导，耦合产生自旋波信号；
步骤二：自旋波信号在介质材料中进行传播；
步骤三：自旋波信号经过分频区，分为频率相同的多束自旋波；
步骤四：根据输入信息，产生对应电压值，改变电场调节区的磁性，改变自旋波的相位和幅度；
步骤五：调节后的自旋波传输至干涉区，产生不同类型的干涉；
步骤六：自旋波耦合产生微波，由探测区的共面波导捕捉，传输至测量仪器中，进行信号分析。
其中，步骤一中的“微波仪器”是指微波信号发生器、矢量网络分析仪等可以产生微波信号的仪器。步骤二中的“介质材料”是指铁磁性材料等可满足自旋波或自旋振荡存在条件的材料，可使用铁镍合金(NiFe)、钴铁硼(CoFeB)或钇铁石榴石(YIG)等已知具有较低损耗和较高自旋波群速度的材料。步骤五中的“干涉”与一般波的干涉现象类似，意指具有相同频率的自旋波相遇时，在区域中某些区域的波形被加强，某些区域波形被减弱。步骤六中的“测量仪器”指频谱分析仪、示波器或矢量网络分析仪等仪器，它们能够对高频信号进行时域、频域等物理、电学特征分析。
三、优点及功效
本发明提出的基于自旋波干涉及多铁性材料的逻辑器件，通过电压控制自旋波的相位和幅度，实现信息输入。继而将自旋波作为信息传输的载体，通过干涉作用完成逻辑运算功能。相较于传统的半导体器件和电路，本发明能够有效解决热损耗及静态功耗问题。
从能耗角度考虑，器件中不存在电流，因此能够减少焦尔热损耗；同时，能够消除漏电流带来的不稳定性及能量损耗，减少静态功耗。与其它基于自旋波的逻辑器件相比，由于本发明中共面波导的设计，以及传输介质的低损耗特性，能够更大程度上保证自旋波的稳定存在。自旋波的强度一般较小，难于探测，本发明中共面波导的结构可使自旋波的强度呈现倍数增加，测试信号的强度也可产生倍数级增加，因此与现有的全息存储器相比，减小了信号探测和分析的难度。
附图说明
图1为本发明提出的基于自旋波干涉的多铁性材料的逻辑器件的结构示意图。该图中为本发明的典型结构，采用两分支结构，但本发明不仅限于两分支结构，可有多个分支；共面波导采用一回弯两单元结构，但本发明不限于此，可有多个回弯。两支路中，左侧为电场调控一区，右侧为电场调控二区。
图中，Generator指微波发生器，Oscilloscope是指高频示波器，U1、U2指分别加在两支路电场调控区电压值，SW表示自旋波，箭头表示自旋波传播方向，1指自旋波传输介质，2指三头微波探针，3指接地波导线，4指信号波导线，5共面波导，6指金线，7指电场调控电极，8指电致伸缩层，9指磁致伸缩层。需说明的是，接地波导线和信号波导线共同构成完整共面波导结构，即3和4共同构成5。
图2为本发明提出的逻辑器件的功能流程图。
具体实施方式
本发明提出了一种基于自旋波干涉及多铁性材料的逻辑器件，可用于信息传输及逻辑运算。该逻辑器件由自旋波激发区、自旋波分频区、电场调控区、自旋波干涉区及自旋波探测区构成。附图均为示意图，其中涉及的各功能区的大小、厚度、并非实际尺寸，工作模式中的电流、波长也非实际值，材料也可有多种选择，随实际需求而定。
自旋波传输介质任意形状均可，依具体应用而定，尺寸量度可从几纳米到几百微米。材料多为铁磁性材料，可选自但不限于如下材料：坡莫合金(Permalloy)，钴铁硼(CoFeB)，钇铁石榴石(YIG)等。其作用，是为自旋波的传输和干涉提供材料基础和方向导向。
本发明中，自旋波激发区及探测区利用了微波信号与自旋波信号的耦合作用，实现自旋波的激发和探测。此处使用共面波导，附图1中为其比较典型的结构。共面波导包括三条波导线，中间一条为信号线，两侧均为接地线。三条波导一端相互连接，另一端接微波仪器，可以实现从信号线到接地线的两个回路。需要指出的是，本发明给出的结构实例中，回弯的数量及形状并不限于此例中所描述的，其他通过增加传输介质上的共面波导数量达到多次激发叠加的结构，均包括在本发明所描述的功能结构中。
电场调控区的介质上方为电场调控组件，其结构自下而上为电极层、电致伸缩层(铁电层)、磁致伸缩层(铁磁层)。电极层通过金线与电压源相连。
电极层由两个电极组成，分布于电致伸缩层的两侧，其材料可选但不限于如下金属材料：金(Au)、铂(Pt)、铜(Cu)、铝(Al)、钽(Ta)等。
电致伸缩层的形状多为薄膜状但不限于此，也可以为其他形状，能够完成本发明中所述功能即可。材料可选但不限于如下铁电材料：钛酸钡(Barium Titanate，BaTiO3)、锆钛酸铅(Lead Zirconate Titanate又称为PZT，Pb(Zr1-xTix)O3)、三甘氨酸硫酸盐(TGS)、氧化锌(ZnO)、硫化锌(ZnS)等。电致伸缩层的厚度可从纳米级到微米级，具体厚度视对器件的性能需求而定。
磁致伸缩层的形状多为薄膜状但不限于此，也可以为其他形状，能够完成本发明中所述功能即可。材料可选但不限于如下材料：镍基合金(Ni、Ni-Co合金、Ni-Co-Cu合金)、铁基合金(如Fe-Ni合金、Fe-Al合金、Fe-Co-V合金)、稀土超磁致伸缩材料等。磁致伸缩层的厚度多为纳米级，具体厚度视对器件的性能需求而定。
以下结合一个基于自旋波在钇铁石榴石(YIG)中传播的器件单元结构为例，具体说明本发明的结构、功能和应用。需要指出的是，在此公开的详细的示例性实施例，其特定的结构细节及功能细节仅出于描述实例的目的，并不局限于此种结构，因此，可以选择多种方式或多种材料来实施本发明，且本发明不应该被理解为仅仅局限于在此提出的示例实施例，而是应该覆盖本发明范围内的所有变化、等价物与替换物。
参照附图1，给出本发明的一个典型的结构实施例：两分支结构。在此需说明的是，本发明不仅限于两分支结构，可有多个分支，实现更加复杂的逻辑计算功能。附图均为示意图。
此实例中，用于自旋波传输的主体结构使用钇铁石榴石(YIG)材料，厚度为50纳米。自旋波的传播模式为DE模式，即自旋波传播方向与磁场方向面内垂直的模式。整个单元结构中心对称(两支路的长度差为零倍的波长)，长度为8.8微米，由中间的环状结构和左右两侧的臂构成主体结构。环形结构中两个支路可视为宽度为1微米的圆环弧，外弧对应半径4.4微米，内弧对应半径3.6微米，两弧对应的圆心角均为90度。两侧臂可视为长方体，长为3微米，宽为1.5微米。
两臂上均镀有一回弯的两回路共面波导，除方向相反，结构上完全相同。此处共面波导材料为金(Au)，厚度为50纳米。针对每一个共面波导单元(此处，一回路为一个单元)，两侧地线及信号线宽度均为300纳米，信号线与地线之间间距为200纳米。每个回弯结构中两个单元之间间距为200纳米。此处的设计可控制激发出的自旋波波长为1微米。对于环形结构上的电路调控组件，电极使用材料金(Au)，厚度为30纳米；电致伸缩层使用材料钛酸钡(BiTaO3)，厚度为20纳米；磁致伸缩层使用材料铁镍合金(FeNi)，厚度为20纳米。
功能上，此实例可用于实现逻辑门，真值表如表1a、b所示。
通过对输入信息对应电压的定义，和自旋波干涉后幅度表征信息的定义，此实例可实现同或门和与非门的功能，如下表1a、b所示。其中，U指能够产生一个周期的相位移动对应的电压调控场值，U1、U2指分别加在两支路电场调控区的电场强度即电压值，指圆周率。在此，电压U1、U2为两支路所加实际电压。定义电压U为一个电压单位，对应一个周期的自旋波相位变化，意即，当在电场调控区加电压U时，介质中自旋波相位发生的变化。此实例中电压与相位变化为线性变化。
当定义：输入信息中，两支路的电压调控情况相同，“0”对应输入电压为零，“1”对应输入电压为U；输出信息中，波形加强对应“1”，波形减弱对应“0”时，可实现同与非门功能。当定义：输入信息，一支路中“0”对应输入电压为零，“1”对应输入电压为0.5U，另一支路中“0”对应输入电压为零，“1”对应输入电压为－0.5U；输出信息中，幅度加强对应“1”，幅度减弱对应“0”时，可实现与非门功能。图2为本发明提出的逻辑器件的功能流程图。
表1(a)
表1(b)
Claims (3)
1.一种基于自旋波干涉及多铁性材料的逻辑器件，其特征在于：用于信息传输及逻辑运算；逻辑器件由自旋波激发区、自旋波分频区、电场调控区、自旋波干涉区及自旋波探测区构成；
自旋波传输介质任意形状均可，材料为坡莫合金Permalloy、钴铁硼CoFeB或钇铁石榴石YIG；
自旋波激发区及探测区利用了微波信号与自旋波信号的耦合作用，实现自旋波的激发和探测；此处使用共面波导；共面波导包括三条波导线，中间一条为信号线，两侧均为接地线；三条波导一端相互连接，另一端接微波仪器，实现从信号线到接地线的两个回路；电场调控区的介质上方为电场调控组件，结构自下而上为电极层、电致伸缩层、磁致伸缩层；电极层通过金线与电压源相连；
电极层由两个电极组成，分布于电致伸缩层的两侧，其材料为金Au、铂Pt、铜Cu、铝Al或钽Ta；
电致伸缩层的形状为薄膜状；材料为钛酸钡BaTiO3、锆钛酸铅Pb(Zr1-xTix)O3、三甘氨酸硫酸盐TGS、氧化锌ZnO或硫化锌ZnS；电致伸缩层的厚度从纳米级到微米级；
磁致伸缩层的形状为薄膜状；材料为镍基合金、铁基合金或稀土超磁致伸缩材料；磁致伸缩层的厚度为纳米级。
2.根据权利要求1所述的一种基于自旋波干涉及多铁性材料的逻辑器件，其特征在于：
用于自旋波传输的主体结构使用钇铁石榴石YIG材料，厚度为50纳米；自旋波的传播模式为DE模式，即自旋波传播方向与磁场方向面内垂直的模式；整个单元结构中心对称，长度为8.8微米，由中间的环状结构和左右两侧的臂构成主体结构；环形结构中两个支路为宽度为1微米的圆环弧，外弧对应半径4.4微米，内弧对应半径3.6微米，两弧对应的圆心角均为90度；两侧臂为长方体，长为3微米，宽为1.5微米；
两臂上均镀有一回弯的两回路共面波导，除方向相反，结构上完全相同；此处共面波导材料为金Au，厚度为50纳米；针对每一个共面波导单元，两侧地线及信号线宽度均为300纳米，信号线与地线之间间距为200纳米；每个回弯结构中两个单元之间间距为200纳米；控制激发出的自旋波波长为1微米；对于环形结构上的电路调控组件，电极使用材料金Au，厚度为30纳米；电致伸缩层使用材料钛酸钡BiTaO3，厚度为20纳米；磁致伸缩层使用材料铁镍合金FeNi，厚度为20纳米。
3.根据权利要求2所述的一种基于自旋波干涉及多铁性材料的逻辑器件，其特征在于：
通过对输入信息对应电压的定义，和自旋波干涉后幅度表征信息的定义，实现同或门和与非门的功能，如下表1a和1b所示；其中，U指能够产生一个周期的相位移动对应的电压调控场值，U1、U2指分别加在两支路电场调控区的电场强度即电压值，π指圆周率；电压U1、U2为两支路所加实际电压；定义电压U为一个电压单位，对应一个周期的自旋波相位变化；当在电场调控区加电压U时，介质中自旋波相位发生π的变化；
当定义：输入信息中，两支路的电压调控情况相同，“0”对应输入电压为零，“1”对应输入电压为U；输出信息中，波形加强对应“1”，波形减弱对应“0”时，实现同与非门功能；当定义：输入信息，一支路中“0”对应输入电压为零，“1”对应输入电压为0.5U，另一支路中“0”对应输入电压为零，“1”对应输入电压为－0.5U；输出信息中，幅度加强对应“1”，幅度减弱对应“0”时，实现与非门功能；
表1(a)
表1(b)。
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