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CN106877858A - 一种基于磁性斯格明子的逻辑门电路 - Google Patents

一种基于磁性斯格明子的逻辑门电路 Download PDF

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CN106877858A
CN106877858A CN201611226414.1A CN201611226414A CN106877858A CN 106877858 A CN106877858 A CN 106877858A CN 201611226414 A CN201611226414 A CN 201611226414A CN 106877858 A CN106877858 A CN 106877858A
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China
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magnetic
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gate
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CN201611226414.1A
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English (en)
Inventor
徐永兵
杨龙
刘文卿
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing University
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Nanjing University
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Publication date
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    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K19/00—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits
    • H03K19/20—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits characterised by logic function, e.g. AND, OR, NOR, NOT circuits

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Abstract

一种基于磁性斯格明子的逻辑门电路，逻辑门基本单元由两条磁性金属纳米线末端会聚成一条磁性金属纳米线构成，三根磁性金属纳米线连接处设有磁颈，三个磁颈具有三种不同宽度，以采用电流提供逻辑运算的控制，形成“与”逻辑门或者“或”逻辑门；所述的逻辑门为三根磁性金属纳米线构成的三接线端装置，输入端由两根并联的带有磁颈(MA和MB)的纳米线组成，其末端会聚串联形成一根磁性金属纳米线为带有磁颈(MX)的一条输出磁性金属纳米线。

Description

一种基于磁性斯格明子的逻辑门电路
技术领域
本发明涉及微电子技术领域，特别是涉及一种利用磁性斯格明子改变磁颈电阻，从而实现逻辑与门以及逻辑或门。
背景技术
逻辑门是现代电子信息的基础，实现各种基本逻辑关系的电路称为逻辑门电路。在逻辑代数中，逻辑变量有两种取值真(1)和假(0)。而在逻辑电路中，通常定义高电平为逻辑真而低电平为逻辑假，即用高、低电平这两个电学参量分别来表示“1”、“0”这两个逻辑变量，然后利用电路改变电压的高低，从而实现了基本的逻辑门运算。表一给出了逻辑与门的真值表，其中A、B为输入逻辑变量，X为输出逻辑变量。表二给出了逻辑或门的真值表。
表一：逻辑与门的真值表
表二：逻辑或门的真值表
目前常用的逻辑门基于半导体电路，但受半导体材料特性的限制，半导体基逻辑门必须工作在一定的温度范围内。而逻辑电路工作时，由于电流的热效应其器件温度会累积升高，故半导体逻辑门会有相应的散热装置，如散热片、风扇等，从而半导体基逻辑电路有较大的能量耗散。因此，我们提出一种基于磁性斯格明子的逻辑门电路，在电流的驱动下，斯格明子会在磁颈处累积，进而改变磁颈两端的电压。相对于半导体基逻辑电路，其具有能耗低、热稳定性好以及易于集成等特点。
磁性斯格明子是一种磁涡旋态的纳米磁结构，并具有粒子的特性，首先发现于中心不对称的块状晶体中，其具有尺寸小、稳定性高和易操控等特点，被视为下一代电子元件的信息载体。而随着研究的深入，在强自旋轨道耦合的双层薄膜中也发现了这种特殊的准粒子(J.Sampaio,V.Cros,S.Rohart,A.Thiaville,and A.Fert,Nature Nanotechnology,vol.8,pp.839-844,Nov 2013.)，为实现基于斯格明子的电子器件提供了结构基础。而另一方面，人们对斯格明子的产生也进行了广泛的研究，结果表明，电流不仅可以驱动已有斯格明子在薄膜层中移动，还可以在特定形状的薄膜里诱导产生斯格明子(J.Iwasaki,M.Mochizuki,and N.Nagaosa,Nature Nanotechnology,vol.9,pp.156-156,Feb 2014.)。也就是说，利用电流控制薄膜中的斯格明子，可以设计新的电路元件，并与已有的集成电路相兼容。
发明内容
本发明的目的是，提出一种基于磁性斯格明子的逻辑门电路。由于磁性金属纳米线连接处磁颈宽度不同，导致斯格明子在磁颈处累积或耗散，进而改变了磁颈两端的电压，最终实现逻辑与运算和逻辑或运算。
本发明技术方案：一种基于磁性斯格明子的逻辑门电路，逻辑门基本单元由两条输入磁性金属纳米线右端会聚成一条输出磁性金属纳米线构成，三根磁性金属纳米线带有磁颈，控制三个磁颈的宽度不同(如图2所示的M1，M2和M3)，可以形成“与”逻辑门或者“或”逻辑门；所述的逻辑门为三根磁性金属纳米线构成的三接线端装置，输入端由两根带有磁颈(MA和MB)的纳米线组成，其末端会聚形成一条带有磁颈(MX)的输出磁性金属纳米线。
输入端激发磁性斯格明子的结构为凹状图形。
所述的磁性材料为Co和Pt的双层薄膜。
当所述的逻辑门为“或”逻辑门的“或”功能，两个输入端的磁颈宽度相同，且大于输出端的磁颈宽度。
所述的逻辑门为“与”逻辑门的“与”功能，；两个输入端的磁颈的宽度、临界电流相同，且小于输出端磁颈的宽度、临界电流。
所述的逻辑门单元，输入端纳米线互相平行，在输出和输入线之间的过渡部分包括两根弯曲形状线5，每根弯曲形状线包括1/2的向下抛物线状的线和1/2的向上抛物线状的线。输入端(臂)的左端连接有两个具有相同尺寸的方形电极(1)，输出端(臂)的右端连接有一个方形电极(1)。
所述的逻辑门输入和输出间采用电流驱使磁性斯格明子的移动，从而使得磁性斯格明子在磁颈处累积或耗散；斯格明子被所述磁颈捕获，磁颈电阻相比没有捕获磁性斯格明子时大很多；通过磁颈的电流大于磁颈的临界电流，磁性斯格明子将沿所述电流方向移动，从而磁颈电阻降低，即通过磁颈的电流大于临界电流，斯格明子在电流的驱动下通过磁颈，不会发生累积，其电阻较小。逻辑的“1”表示在磁颈两端之间的较低电压，而逻辑的“0”则表示在磁颈两端之间的较高电压。
本发明器件的制备：首先使用真空溅射生长20nm厚的Co/Pt双层膜，并在双层膜上方生长2nm厚的Au膜，作为保护层。然后采用电子束刻蚀，得到带有磁颈的三条纳米线，其中两条A、B作为输入，一条X作为输出，并且在输入端左侧带制备可以激发斯格明子的凹状图形，如图3所示。最后，采用光刻法为两个输入左侧、一个输出端右侧以及3个磁颈的左右两侧光刻出电极，并在电极区域蒸镀Au以便接线。
有益效果，提出了一种基于磁性斯格明子的逻辑门电路，利用电流控制薄膜中的斯格明子，可以设计新的电路元件，并与已有的集成电路相兼容。方便实现逻辑与运算和逻辑或运算。
附图说明
图1为基于磁性斯格明子逻辑与门和逻辑或门的结构示意图；
图2中M1，M2，M3为实现逻辑门所需的3种类型的磁颈(M1，M2，M3)；
图3为输入端左侧产生斯格明子的凹状结构(图1中(2))。
具体实施方式
如图2所示，M1、M2，M3为3种不同颈宽的磁颈。当有电流I驱动的斯格明子(磁颈中黑色圆点)分别流过这3种磁颈时，由于颈宽不同而导致流过磁颈的电流密度不同，从而影响磁颈中斯格明子的分布，进而改变磁颈左右两侧的电阻。M2相对M1颈宽较宽，故电流密度小，斯格明子在磁颈处累积，磁颈电阻增大；M3相对于M1颈宽较窄，故电流密度大，斯格明子在电流的驱动下沿电流方向移动，磁颈处斯格明子数量减少，磁颈电阻减小。逻辑“1”表示在磁颈的两端之间较低电压，而逻辑“0”则表示较高电压。为实现“或”逻辑门，所述输入磁颈的临界电流必须大于所述输出磁颈的临界电流，这意味着两条输入线的磁颈(MA，MB)的颈宽必须大于输出线的磁颈(MX)的颈宽，此时MA，MB为M1型磁颈，MX为M3型磁颈。为实现“和”功能，所述两条输入磁颈(MA，MB)的宽度必须小于所述输出线颈缩(MX)的宽度。此外，输入线磁颈宽度(MA，MB)的总和必须大于输出颈缩宽度(MX)，此时MA，MB为M1型磁颈，MX为M2型磁颈。
首先使用真空溅射生长20nm厚的Co/Pt双层膜，并在双层膜上方生长2nm厚的Au膜，作为保护层。然后采用电子束刻蚀，得到带有长2μm磁颈(MA，MB，MX)的三条纳米线，其中两条A、B左侧作为输入端，一条X右侧作为输出端，并且在输入端左侧带有可以激发斯格明子的凹状图形2(图1)。最后，采用光刻法为两个输入左侧、一个输出端右侧以及3个磁颈的左右两侧光刻出电极，并在电极区域蒸镀Au以便接线，输入电极为4μm×4μm的方形电极1(图1)，磁颈两侧3的测量电极4为2μm×2μm(图1)，弯曲形状线5。

Claims (9)

1.一种基于磁性斯格明子的逻辑门电路，其特征是逻辑门基本单元由两条磁性金属纳米线末端会聚成一条磁性金属纳米线构成，三根磁性金属纳米线连接处设有磁颈，三个磁颈具有三种不同宽度，以采用电流提供逻辑运算的控制，形成“与”逻辑门或者“或”逻辑门；所述的逻辑门为三根磁性金属纳米线构成的三接线端装置，输入端由两根并联的带有磁颈(MA和MB)的纳米线组成，其末端会聚串联形成一根磁性金属纳米线为带有磁颈(MX)的一条输出磁性金属纳米线。
2.根据权利要求1所述的基于磁性斯格明子的逻辑门电路，其特征是所述的磁性材料为Co/Pt双层膜。
3.根据权利要求1所述的基于磁性斯格明子的逻辑门电路，其特征是输入端激发磁性斯格明子的结构为凹状图形。
4.根据权利要求1所述的基于磁性斯格明子的逻辑门电路，其特征是当所述的逻辑门为“或”逻辑门的“或”功能，输入端的磁颈宽度大于输出端的磁颈宽度。
5.根据权利要求1所述的基于磁性斯格明子的逻辑门电路，其特征是所述的逻辑门为“与”逻辑门的“与”功能，输入端的磁颈的宽度、临界电流分别小于输出端磁颈的宽度、临界电流。
6.根据权利要求1所述的基于磁性斯格明子的逻辑门电路，其特征是所述的逻辑门输入和输出间采用电流驱使磁性斯格明子的移动，从而使得磁性斯格明子在磁颈处累积或耗散；斯格明子被所述磁颈捕获，磁颈电阻相比没有捕获磁性斯格明子时大很多；通过磁颈的电流大于磁颈的临界电流，磁性斯格明子将沿所述电流方向移动，从而磁颈电阻降低。
7.根据权利要求1所述的基于磁性斯格明子的逻辑门电路，其特征是所述的逻辑门，所述逻辑门包括输入磁颈和输出磁颈，“1”表示在磁颈缩的两端之间的较低电压，而“0”则表示在磁颈两端较高电压。
8.根据权利要求1所述的基于磁性斯格明子的逻辑门电路，其特征是所述的逻辑门单元，输入端纳米线与输入端纳米线互相平行。
9.根据权利要求1所述的基于磁性斯格明子的逻辑门电路，其特征是输入输出端纳米线与其他逻辑门单元输入输出线平行，在输出和输入线之间的过渡部分包括两根弯曲形状线(5)，每根弯曲形状线包括1/2的向下抛物线状的线和1/2的向上抛物线状的线。输入端(臂)的左端连接有两个具有相同尺寸的方形电极(1)，输出端(臂)的右端连接有一个方形电极(1)。
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