CN116798399A - 基于拓扑声子晶体的拓扑逻辑门、制备和调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于拓扑声子晶体的拓扑逻辑门器件、制备和调控方法，包括：拓扑声子晶体、声子晶体电极和电输出端口；拓扑声子晶体的材料为压电单晶，以三棱柱旋转角度分为声子晶体I与声子晶体II，两种声子晶体排列交叉出四条边界，两条边界作为输入端，两条边界作为输出端；声子晶体电极分为三棱柱表面电极与底面电极，声子晶体振动时两电极之间会形成电位差，电极层厚度远小于声子晶体厚度；电输出端口为连接至三棱柱表面电极与底面电极上的金线，能引出声子晶体振动时的响应电压，所述三棱柱位于拓扑声子晶体输出边界上。本发明利用拓扑声子晶体实现声学逻辑门电学输出，为电声集成器件的设计与应用提供新思路和途径。
Description
技术领域
本发明属于声学超材料领域，具体涉及基于拓扑声子晶体的拓扑逻辑门、制备和调控方法。
背景技术
声子晶体作为一种周期性人工结构，因具有独特的带隙特性而在声传输与操纵方面得到了广泛的研究。声子晶体实现声传输与操纵主要有缺陷态传输与拓扑边界态传输两条途径。缺陷态传输依靠声波被局域在某个特定的直线或曲线缺陷中来实现传输。而拓扑边界态传输发生在两个不同拓扑相声子晶体的边界上，受到拓扑特性保护。拓扑边界态传输相比缺陷态传输来讲存在的优势在于：第一，拓扑边界态传输具有由赝自旋手性决定的单向传输特性，可以很好地抑制背向散射；第二，拓扑边界态传输受拓扑特性保护，具有很强的抗干扰能力；第三，引入拓扑概念的声子晶体对声波的操纵具有更大的潜力。基于这些优势，拓扑声子晶体受到了越来越多的关注。
目前已有利用拓扑声子晶体实现声波及弹性波的鲁棒性传输、声分束器和谐振腔等声学器件，但上述应用都局限于结构固定不能更改、传输路径单一的限制，难以实现拓扑声子晶体的多功能化及满足声学器件的智能化与电声集成的需求。由此可见，亟需发展能够实现声波或弹性波传输的调控以及电声信号耦合的拓扑声子晶体，为未来智能化、电声集成器件的发展提供新思路和途径。
发明内容
本发明所为了解决背景技术中存在的技术问题，目的在于提供了基于拓扑声子晶体的拓扑逻辑门、制备和调控方法，其目的在于为电声集成器件的发展提供新思路和途径。
为了解决技术问题，本发明的技术方案是：
一种基于拓扑声子晶体的逻辑门器件，所述器件包括：拓扑声子晶体、声子晶体电极层、声输入端和电输出端；
所述拓扑声子晶体由声子晶体I与声子晶体II排列而成，结构包括四条边界，其两条相对边界用于声输入端，两条相对边界用于电输出端，所述声子晶体I与声子晶体II以其自身三棱柱旋转角度区分；
所述声子晶体电极包括：三棱柱表面电极和底面电极，所述三棱柱表面电极和底面电极在声子晶体振动时产生电位差；其中，三棱柱表面电极和底面电极厚度小于声子晶体厚度；
所述电输出端为分别与三棱柱表面电极、底面电极连接的导线，所述导线引出声子晶体振动时的响应电压，所述三棱柱位于拓扑声子晶体输出边界上。
进一步，所述拓扑声子晶体材料为<001>晶向的氧化锌单晶。
进一步，所述拓扑声子晶体的单胞由三棱柱散射体和六边形基底组成；
所述三棱柱散射体的底面为正三角形，边长b＝500μm，三棱柱散射体和六边形基底的高度分别为h1＝350μm和h2＝175μm；声子晶体I中三棱柱旋转角度为20°，声子晶体II中三棱柱旋转角度为-20°。
进一步，所述拓扑声子晶体的单胞按六角晶格周期性排列。
进一步，所述声子晶体电极材料为Au，声子晶体电极与拓扑声子晶体之间设置有黏附层，其黏附层材料为Cr。
进一步，所述电输出端的外接导线通过导电胶固定于三棱柱表面电极与底面电极上。
进一步，所述电输出端外接导线连接的三棱柱表面电极位于拓扑声子晶体用于输出端的边界上。
一种基于拓扑声子晶体的拓扑逻辑门器件制备方法，所述方法包括：
步骤1：在氧化锌单晶基片的上表面镀一层金属层；
步骤2：通过飞秒激光刻蚀方法在氧化锌单晶基片上制备拓扑声子晶体；
步骤3：在拓扑声子晶体的下表面制备底面电极；
步骤4：利用拓扑声子晶体边界上的三棱柱表面电极层与底面电极，连接金线，制备电输出端口。
一种基于拓扑声子晶体的拓扑逻辑门器件的调控方法，所述方法包括：
S1.对拓扑声子晶体两个声输入端同时施加相同频率、相同幅值的弹性波激发源，从而形成声子晶体边界上的弹性波传输；
S2.两个声输入端激发源形成的弹性波在拓扑声子晶体输出端边界上发生波干涉，一条输出边界弹性波能量衰减，另一条输出边界弹性波能量增强；
S3.拓扑声子晶体中弹性波传输引起振动从而在三棱柱表面电极与底面电极之间产生电位差，电输出端口出现“或”和“异或”两种电学逻辑输出。
进一步，激发源频率在拓扑声子晶体边界态频率范围内，且使得两条输出端边界出现一条相长干涉、另一条出现相消干涉。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明提供的基于拓扑声子晶体的声/电逻辑门，拓扑声子晶体的材料为氧化锌单晶，可以实现声学逻辑门的电学输出，为未来智能化、电声集成器件的发展提供新思路和途径。
(2)本发明提供的基于拓扑声子晶体的声/电逻辑门，弹性波在拓扑声子晶体边界上传输受到拓扑特性保护，对背向散射、弯曲及无序等缺陷有很强的免疫能力，因此声/电逻辑门具有较高鲁棒性。
(3)本发明提供的基于拓扑声子晶体的声/电逻辑门，将两条边界作为输入端，两条边界作为输出端，在不改变逻辑门结构的前提下，同时实现了逻辑或门和异或门。
(4)本发明提供的基于拓扑声子晶体的声/电逻辑门，可以选择不同的激发源频率以产生不同的弹性波相长相消效果，从而改变电输出端口的逻辑输出结果。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于拓扑声子晶体的声/电逻辑门的结构示意图；
图2为不同声输入状态对应的电输出端口归一化电压幅值与真值表。
具体实施方式
下面结合实施例描述本发明具体实施方式：
需要说明的是，本说明书所示意的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
实施例1：
本发明实施例提供一种基于拓扑声子晶体的声/电逻辑门的结构，如图1所示，包括：拓扑声子晶体、声子晶体电极和电输出端口；
拓扑声子晶体材料为压电单晶，由声子晶体I与声子晶体II排列而成，结构中存在四条边界，两条边界用作输入端，两条边界用作输出端，所述声子晶体I与声子晶体II以三棱柱旋转角度区分；
声子晶体电极分为三棱柱表面电极与底面电极，所述两电极在声子晶体振动时会产生电位差，电极厚度远小于声子晶体厚度；
电输出端口为分别与三棱柱表面电极、底面电极连接的金线，金线能够引出声子晶体振动时的响应电压，所述三棱柱位于拓扑声子晶体输出边界上。
本实施例中，用作输入端的两条边界是A、C边界，用作输出端的两条边界是B、D边界。
优选地，所述拓扑声子晶体材料为<001>晶向的氧化锌单晶。
本实施例中，氧化锌单晶的材料参数为：弹性模量C11＝C22＝209.71GPa，C12＝121.14GPa，C13＝105.39Gpa，C33＝211.19GPa，C44＝C55＝42.37GPa，C66＝44.24GPa，质量密度5605kg/m3。弹性波在声子晶体中传输时引起振动，使得三棱柱表面电极与底面电极形成电位差，进而产生电压输出。
优选地，所述拓扑声子晶体的单胞由三棱柱散射体和六边形基底组成。
本实施例中，三棱柱底面为正三角形，边长b＝500μm，三棱柱和六边形基底的高度分别为h1＝350μm和h2＝175μm。声子晶体I中三棱柱旋转角度为20°，声子晶体II中三棱柱旋转角度为-20°。
优选地，所述拓扑声子晶体的单胞按六角晶格周期性排列。
本实施例中，拓扑声子晶体的阵列形状为四边形，晶格常数a＝630μm，阵列大小为20×19。弹性波激发源位置位于第十一行第一列与第十一行第十九列的三棱柱上，对应A、C两条边界上的声学输入端，即逻辑门的A声输入端口与C声输入端口。以是否激发弹性波表示逻辑输入的“1”和“0”，定义逻辑门的输入状态{A,C}。
优选地，所述声子晶体电极材料为Au，声子晶体电极与拓扑声子晶体之间存在黏附层，黏附层材料为Cr。
本实施例中，声子晶体电极材料为Au，厚度100nm，黏附层材料为Cr，厚度10nm。
优选地，所述电输出端口的外接金线通过导电胶固定于三棱柱表面电极与底面电极上。
本实施例中，电输出端口的外接金线直径为30μm。
优选地，所述电输出端口外接金线连接的三棱柱表面电极位于拓扑声子晶体用作输出端的边界上。
本实施例中，电输出端口外接金线接线位置分别为第一行第六列与第二十行第十五列的三棱柱表面电极，对应于B、D两条边界上的电学输出端，即逻辑门的B电输出端口与D电输出端口。以归一化电压幅值大于0.5表示输出状态“1”，归一化电压幅值小于0.5表示输出状态“0”。
实施例2：
对应地，本发明还提供了一种基于拓扑声子晶体的声/电逻辑门的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)在氧化锌单晶基片的上表面镀一层金属层。
(2)通过飞秒激光刻蚀方法在氧化锌单晶基片上制备拓扑声子晶体。
(3)在拓扑声子晶体的下表面制备底面电极(六边形基地的下表面)。
(4)利用拓扑声子晶体边界上的三棱柱表面电极层与底面电极，连接金线，制备电输出端口。
实施例3：
更进一步地，本发明还提供了一种超声调控人工神经突触的装置的调控方法，该方法包括以下步骤：
S1.对拓扑声子晶体两个输入端同时施加相同频率、相同幅值的弹性波激发源，从而形成声子晶体边界上的弹性波传输。
S2.两个输入端激发源形成的弹性波在拓扑声子晶体输出端边界上发生波干涉，一条输出边界弹性波能量衰减，另一条输出边界弹性波能量增强。
S3.拓扑声子晶体中弹性波传输引起振动从而在三棱柱表面电极与底面电极之间产生电位差，电输出端口因弹性波能量衰落和增强出现“异或”和“或”两种电学逻辑输出。
优选地，激发源频率在拓扑声子晶体边界态频率范围内，且使得两条输出端边界出现一条相长干涉、另一条出现相消干涉。
本实施例中，如图2所示，激发源频率选择790kHz。当仅A或C声输入端口被激发时，对应逻辑输入为{0,1}和{1,0}，B和D电输出端口对应的逻辑输出为{1}；当仅A和C声输入端口同时被激发时，对应逻辑输入为{1,1}，B电输出端口对应的逻辑输出为{0}，D电输出端口对应的逻辑输出为{1}；输入输出之间的逻辑关系列成如表格所示的真值表，对应“异或”和“或”逻辑。
本发明利用拓扑声子晶体的拓扑边界态传输与氧化锌单晶的压电特性，使得弹性波在拓扑声子晶体中鲁棒性传输并产生电压，再通过控制两路弹性波的干涉，使得声学逻辑门产生电学输出。具体地，弹性波能量越高，输出电压幅值越大。
上面对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。
Claims (10)
1.一种基于拓扑声子晶体的逻辑门器件，其特征在于，所述器件包括：拓扑声子晶体、声子晶体电极层、声输入端和电输出端；
所述拓扑声子晶体由声子晶体I与声子晶体II排列而成，结构包括四条边界，其两条相对边界用于声输入端，两条相对边界用于电输出端，所述声子晶体I与声子晶体II以其自身三棱柱旋转角度区分；
所述声子晶体电极包括：三棱柱表面电极和底面电极，所述三棱柱表面电极和底面电极在声子晶体振动时产生电位差；其中，三棱柱表面电极和底面电极厚度小于声子晶体厚度；
所述电输出端为分别与三棱柱表面电极、底面电极连接的导线，所述导线引出声子晶体振动时的响应电压，所述三棱柱位于拓扑声子晶体输出边界上。
2.根据权利要求1所述的一种基于拓扑声子晶体的逻辑门器件，其特征在于，所述拓扑声子晶体材料为<001>晶向的氧化锌单晶。
3.根据权利要求1所述的一种基于拓扑声子晶体的逻辑门器件，其特征在于，所述拓扑声子晶体的单胞由三棱柱散射体和六边形基底组成；
所述三棱柱散射体的底面为正三角形，边长b＝500μm，三棱柱散射体和六边形基底的高度分别为h1＝350μm和h2＝175μm；声子晶体I中三棱柱旋转角度为20°，声子晶体II中三棱柱旋转角度为-20°。
4.根据权利要求1所述的一种基于拓扑声子晶体的逻辑门器件，其特征在于，所述拓扑声子晶体的单胞按六角晶格周期性排列。
5.根据权利要求1所述的一种基于拓扑声子晶体的逻辑门器件，其特征在于，所述声子晶体电极材料为Au，声子晶体电极与拓扑声子晶体之间设置有黏附层，其黏附层材料为Cr。
6.根据权利要求1所述的一种基于拓扑声子晶体的逻辑门器件，其特征在于，所述电输出端的外接导线通过导电胶固定于三棱柱表面电极与底面电极上。
7.根据权利要求1所述的一种基于拓扑声子晶体的逻辑门器件，其特征在于，所述电输出端外接导线连接的三棱柱表面电极位于拓扑声子晶体用于输出端的边界上。
8.一种基于拓扑声子晶体的拓扑逻辑门器件制备方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1：在氧化锌单晶基片的上表面镀一层金属层；
步骤2：通过飞秒激光刻蚀方法在氧化锌单晶基片上制备拓扑声子晶体；
步骤3：在拓扑声子晶体的下表面制备底面电极；
步骤4：利用拓扑声子晶体边界上的三棱柱表面电极层与底面电极，连接金线，制备电输出端口。
9.一种基于拓扑声子晶体的拓扑逻辑门器件的调控方法，其特征在于，该方法包括：
S1.对拓扑声子晶体两个声输入端同时施加相同频率、相同幅值的弹性波激发源，从而形成声子晶体边界上的弹性波传输；
S2.两个声输入端激发源形成的弹性波在拓扑声子晶体输出端边界上发生波干涉，一条输出边界弹性波能量衰减，另一条输出边界弹性波能量增强；
S3.拓扑声子晶体中弹性波传输引起振动从而在三棱柱表面电极与底面电极之间产生电位差，电输出端口出现“或”和“异或”两种电学逻辑输出。
10.根据权利要求9所述的一种基于拓扑声子晶体的拓扑逻辑门器件的调控方法，其特征在于，激发源频率在拓扑声子晶体边界态频率范围内，且使得两条输出端边界出现一条相长干涉、另一条出现相消干涉。
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