CN112002797B - 基于多铁异质结的电场控制自旋波逻辑器件及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多铁异质结的电场控制自旋波逻辑器件及其控制方法，包括多铁异质结，多铁异质结表面布设波导层，且有若干顶电极分布于波导层两侧，其中该逻辑器件分成若干功能区域：至少一个激发区，位于逻辑器件的一端，通过电极施加电压，多铁异质结产生的应变传递至波导层，影响波导层中的磁各向异性，进而使磁化方向产生偏转，最终激发自旋波；至少一个检测区，位于逻辑器件另一端，自旋波导致的波导层应变与多铁异质结耦合，产生微波电信号；至少一个调控区，位于激发区和检测区之间，通过电极调整电场以调控自旋波；利用自旋波干涉作用完成逻辑运算。本发明采用全电学方式工作，结构简单，有利于集成和加工，焦耳热低，静态功率小。
Description
技术领域
本发明涉及自旋电子学领域，特别涉及一种基于多铁异质结的电场控制自旋波逻辑器件及其控制方法。
背景技术
传统方式用电压或电流向逻辑门输入信息，器件尺寸趋近于改进极限。近年来出现了新的逻辑门器件，如公开（公告）号： CN209859976U的实用新型公开了一种多功能自旋电子逻辑门器件。
自旋是电子的内禀属性，是由内禀角动量引起。在磁性材料中传输的是内禀角动量，不牵涉电荷，有效避免使用电荷产生的发热问题，由此降低功耗。磁电效应，是磁极化与电极化之间的强耦合作用，允许通过电场操控磁性能。其中多铁性材料中存在磁和电有序性从而显示出很强的磁电效应。将磁致伸缩膜放置在压电衬底上，可以观察到磁电效应。压电层中的电场感应应变传递到相邻的铁磁薄膜，通过磁致伸缩来调结磁性。
但现有技术的逻辑门器件通常会有较高的焦耳热，且存在漏电流引起的静态功耗问题，不利于逻辑门器件的进一步发展。
发明内容
针对现有技术产生焦耳热较高且静态功率大的问题，本发明提供了一种基于多铁异质结的电场控制自旋波逻辑器件及其控制方法，采用全电学方式工作，施加电场通过多铁异质结的磁电耦合特性来调控自旋波波导层的磁化强度方向，实现器件的全电学工作方式。该器件相对于传统的磁场或者自旋流形式的逻辑器件，结构更简单，有利于集成和加工，且具有焦耳热低和静态功率小的特性。
以下是本发明的技术方案。
一种基于多铁异质结的电场控制自旋波逻辑器件，包括多铁异质结，多铁异质结表面布设波导层，且有若干顶电极分布于波导层两侧，其中该逻辑器件分成若干功能区域：至少一个激发区，位于逻辑器件的一端，通过电极施加电场，多铁异质结产生的应变传递至波导层，影响磁各向异性能，进而使磁化方向产生偏转，产生自旋波；至少一个检测区，位于逻辑器件另一端，自旋波导致的波导层应变与多铁异质结耦合，产生微波电信号；至少一个调控区，位于激发区和检测区之间，通过电极调整电场以调控自旋波；利用自旋波干涉作用完成逻辑运算。
本发明可以激发自旋波并选频、调控其传输特征，通过控制磁性材料的磁化状态来实现信息存储以及逻辑运算。电压可以局部激发自旋波并且不会在磁性结构中产生不均匀性。自旋波的振幅与感应电场具有线性关系，这使得自旋波的振幅和相位更容易被控制。因应力控制来源于电压，因此不产生电子或者空穴的移动，可以有效的避免电流产生的焦耳热，以及漏电流引起的静态功耗问题等。
作为优选，所述多铁异质结自下而上包括：衬底层、底电极层、压电层和顶电极。
作为优选，所述波导层为条状，并在激发区一侧设有分支，分支的每个合并处至少包括一个调控区。分支的存在使得该逻辑器件可以适用于更全面的逻辑运算。
作为优选，所述波导层的材料包括以下材料中的一种或多种：坡莫合金Permalloy、钴铁硼CoFeB、钇铁石榴石YIG、铁磁性金属、亚铁磁性绝缘体和反铁磁体。
作为优选，所述波导层的分支部分宽度小于其他部分。
作为优选，顶电极宽度小于波导层。
作为优选，所述顶电极设置在波导层之上。电极之间施加电压时，铁磁界面的电场会调制波导层的垂直磁各向异性。通过设计磁性材料结构产生所需的磁化不均匀性，使自旋波从窄的波导层传到宽的波导层时沿既定方向传播。沿垂直自旋波波矢和磁化方向施加电压引起的DMI作用，使自旋波不可逆地分散传播。此方法可使得自旋波沿电压形成的虚拟纳米通道传播。电压形成可重置纳米通道，使得多通道同时并行处理数据，并可以单通道或形成通道组合选择性地发送自旋波。此外，施加不同的栅电极电压形成通道，具有不同波矢的自旋波可以通过不同的通道发送。
本发明还包括一种基于多铁异质结的电场控制自旋波逻辑器件控制方法，用于上述的一种基于多铁异质结的电场控制自旋波逻辑器件，包括以下步骤：在激发区通过电极施加电压，多铁异质结产生的应变传递至波导层，影响磁各向异性能，进而使磁化方向产生偏转，产生自旋波；根据需求控制调控区的电场，使自旋波发生改变；自旋波继续传递使检测区的波导层应变与多铁异质结耦合，产生微波电信号，由电极输出；调控区的自旋波干涉作用完成逻辑运算。
本发明的实质性效果包括：采用全电学方式工作，施加电场通过多铁异质结的磁电耦合特性来调控自旋波波导层的磁化强度方向，实现器件的全电学工作方式。该器件相对于传统的磁场或者自旋流形式的逻辑器件具有结构简单，有利于集成和加工等特性。相较于传统的利用微波探测自旋波的手段，该方法极大的简化探测自旋波的方式，减低探测自旋波逻辑计算结果的难度，并且避免二次热耗散。
附图说明
图1是本发明实施例的层次示意图；
图2是本发明实施例的整体示意图；
图中包括：1-压电层、2-顶电极、3-波导层、4-底电极层、5-衬底层。
具体实施方式
下面将结合实施例，对本申请的技术方案进行描述。另外，为了更好的说明本发明，在下文中给出了众多的具体细结。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细结，本发明同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未做详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
实施例：
如图1和图2所示，是一种基于多铁异质结的电场控制自旋波逻辑器件，包括多铁异质结，图1中，多铁异质结自下而上包括：衬底层5、底电极层4、压电层1和顶电极2。多铁异质结表面布设波导层3，且有若干栅形的顶电极分布于波导层两侧，其中该逻辑器件分成若干功能区域：至少一个激发区，位于逻辑器件的一端，通过电极施加电场，多铁异质结产生的应变传递至波导层，影响磁各向异性能，进而使磁化方向产生偏转，产生自旋波；至少一个检测区，位于逻辑器件另一端，自旋波导致的波导层应变与多铁异质结耦合，产生微波电信号；至少一个调控区，位于激发区和检测区之间，通过电极调整电场以调控自旋波；利用自旋波干涉作用完成逻辑运算。
本实施例可以产生自旋波激发、选频、调控，通过翻转磁性材料的磁化状态来实现信息存储以及逻辑运算。电压可以局部激发自旋波并且不会在磁性结构中产生不均匀性。自旋波的振幅与感应电场具有线性关系，这使得自旋波的振幅和相位更容易被控制。因应力控制来源于电压，因此不产生电子或者空穴的移动，可以有效的避免电流产生的焦耳热，以及漏电流引起的静态功耗问题等。
波导层为条状，并在激发区一侧设有分支，分支的每个合并处至少包括一个调控区。分支的存在使得该逻辑器件可以适用于更全面的逻辑运算。
波导层的材料包括以下材料中的一种或多种：坡莫合金Permalloy、钴铁硼CoFeB、钇铁石榴石YIG、铁磁性金属、亚铁磁性绝缘体和反铁磁体。
波导层的分支部分宽度小于其他部分。
顶电极宽度小于波导层。自旋波从窄的波导层传到宽的波导层时会像光束一样，沿既定方向传播，通过设计磁性材料结构产生所需的磁化不均匀性。沿垂直自旋波波矢和磁化方向施加电压可以引起DMI，使自旋波不可逆地分散传播。将宽度比波导层小的金属栅形电极放在波导层一端，电极和波导层之间施加电压，此时铁磁界面的电场会调制波导层的垂直磁各向异性。此方法可使得自旋波沿电压形成的虚拟纳米通道传播。电压形成可重置纳米通道，使得多通道同时并行处理数据，并可以单通道或形成通道组合选择性地发送自旋波。此外，施加不同的栅电极电压形成通道，具有不同波矢的自旋波可以通过不同的通道发送。
本实施例的基于多铁异质结的电场控制自旋波逻辑器件控制方法，包括以下步骤：在激发区通过电极施加电场，多铁异质结产生的应变传递至波导层，影响磁各向异性能，进而使磁化方向产生偏转，产生自旋波；根据需求控制调控区的电场，使自旋波发生改变；自旋波继续传递使检测区的波导层应变与多铁异质结耦合，产生微波电信号，由电极输出；调控区的自旋波干涉作用完成逻辑运算。
本实施例的实质性效果包括：采用全电学方式工作，施加电场通过多铁异质结的磁电耦合特性来调控自旋波波导层的磁化强度方向，实现器件的全电学工作方式。该器件相对于传统的磁场或者自旋流形式的逻辑器件具有结构简单，有利于集成和加工等特性。相较于传统的利用微波探测自旋波的手段，该方法极大的简化探测自旋波的方式，减低探测自旋波逻辑计算结果的难度，并且避免二次热耗散。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的结构和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的关于结构的实施例仅仅是示意性的，例如，模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个结构，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，结构或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是一个物理单元或多个物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个不同地方。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
以上内容，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种基于多铁异质结的电场控制自旋波逻辑器件，其特征在于，包括多铁异质结，多铁异质结表面布设波导层，且有若干顶电极分布于波导层两侧，其中该逻辑器件分成若干功能区域：
至少一个激发区，位于逻辑器件的一端，通过电极施加电场，多铁异质结产生的应变传递至波导层，影响波导层磁各向异性，进而使磁化方向产生偏转，最终激发自旋波；
至少一个检测区，位于逻辑器件另一端，自旋波导致的波导层应变与多铁异质结耦合，产生微波电信号；
至少一个调控区，位于激发区和检测区之间，通过电极调整电场以调控自旋波；利用自旋波干涉作用完成逻辑运算；
所述波导层为条状，并在激发区一侧设有分支，分支的每个合并处至少包括一个调控区；
所述波导层的分支部分宽度小于其他部分。
2.根据权利要求1所述的一种基于多铁异质结的电场控制自旋波逻辑器件，其特征在于，所述多铁异质结自下而上包括：衬底层、底电极层、压电层和顶电极。
3.根据权利要求1所述的一种基于多铁异质结的电场控制自旋波逻辑器件，其特征在于，所述波导层的材料包括以下材料中的一种或多种：坡莫合金Permalloy、钴铁硼CoFeB、钇铁石榴石YIG、铁磁性金属、亚铁磁性绝缘体和反铁磁体。
4.根据权利要求2所述的一种基于多铁异质结的电场控制自旋波逻辑器件，其特征在于，顶电极宽度小于波导层。
5.根据权利要求1或2或4所述的一种基于多铁异质结的电场控制自旋波逻辑器件，其特征在于，所述顶电极设置在波导层之上。
6.一种基于多铁异质结的电场控制自旋波逻辑器件控制方法，用于如权利要求1所述的一种基于多铁异质结的电场控制自旋波逻辑器件，其特征在于，包括以下步骤：在激发区通过电极施加电场，多铁异质结产生的应变传递至波导层，影响磁各向异性能，进而使磁化方向产生偏转，产生自旋波；根据需求控制调控区的电场，使自旋波传输状态发生改变；自旋波继续传递至检测区，波导层应变与多铁异质结耦合，产生微波电信号，由电极输出；调控区的自旋波干涉作用完成逻辑运算。
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