一種基于磁性斯格明子的邏輯門電路制造技術

一種基于磁性斯格明子的邏輯門電路，邏輯門基本單元由兩條磁性金屬納米線末端會聚成一條磁性金屬納米線構成，三根磁性金屬納米線連接處設有磁頸，三個磁頸具有三種不同寬度，以采用電流提供邏輯運算的控制，形成“與”邏輯門或者“或”邏輯門；所述的邏輯門為三根磁性金屬納米線構成的三接線端裝置，輸入端由兩根并聯的帶有磁頸(M

A logic gate circuit based on magnetic skyrmion

A logic gate circuit of magnetic skyrmion based on basic logic gate unit by the end of two magnetic metal nanowires converged into a magnetic metal nanowire structure, connecting three magnetic nanowires with three magnetic magnetic neck, neck with three different width, using current control logic operation the formation, \and\ or \or\ logic gate logic gate logic gate; the three terminal device three magnetic metal nanowire structure, the input consists of two parallel magnetic neck (M

【技術實現步驟摘要】
一種基于磁性斯格明子的邏輯門電路
本專利技術涉及微電子
，特別是涉及一種利用磁性斯格明子改變磁頸電阻，從而實現邏輯與門以及邏輯或門。
技術介紹
邏輯門是現代電子信息的基礎，實現各種基本邏輯關系的電路稱為邏輯門電路。在邏輯代數中，邏輯變量有兩種取值真(1)和假(0)。而在邏輯電路中，通常定義高電平為邏輯真而低電平為邏輯假，即用高、低電平這兩個電學參量分別來表示“1”、“0”這兩個邏輯變量，然后利用電路改變電壓的高低，從而實現了基本的邏輯門運算。表一給出了邏輯與門的真值表，其中A、B為輸入邏輯變量，X為輸出邏輯變量。表二給出了邏輯或門的真值表。表一：邏輯與門的真值表表二：邏輯或門的真值表目前常用的邏輯門基于半導體電路，但受半導體材料特性的限制，半導體基邏輯門必須工作在一定的溫度范圍內。而邏輯電路工作時，由于電流的熱效應其器件溫度會累積升高，故半導體邏輯門會有相應的散熱裝置，如散熱片、風扇等，從而半導體基邏輯電路有較大的能量耗散。因此，我們提出一種基于磁性斯格明子的邏輯門電路，在電流的驅動下，斯格明子會在磁頸處累積，進而改變磁頸兩端的電壓。相對于半導體基邏輯電路，其具有能耗低、熱穩定性好以及易于集成等特點。磁性斯格明子是一種磁渦旋態的納米磁結構，并具有粒子的特性，首先發現于中心不對稱的塊狀晶體中，其具有尺寸小、穩定性高和易操控等特點，被視為下一代電子元件的信息載體。而隨著研究的深入，在強自旋軌道耦合的雙層薄膜中也發現了這種特殊的準粒子(J.Sampaio,V.Cros,S.Rohart,A.Thiaville,andA.Fert,NatureNanotechnology,vol.8,pp.839-844,Nov2013.)，為實現基于斯格明子的電子器件提供了結構基礎。而另一方面，人們對斯格明子的產生也進行了廣泛的研究，結果表明，電流不僅可以驅動已有斯格明子在薄膜層中移動，還可以在特定形狀的薄膜里誘導產生斯格明子(J.Iwasaki,M.Mochizuki,andN.Nagaosa,NatureNanotechnology,vol.9,pp.156-156,Feb2014.)。也就是說，利用電流控制薄膜中的斯格明子，可以設計新的電路元件，并與已有的集成電路相兼容。
技術實現思路
本專利技術的目的是，提出一種基于磁性斯格明子的邏輯門電路。由于磁性金屬納米線連接處磁頸寬度不同，導致斯格明子在磁頸處累積或耗散，進而改變了磁頸兩端的電壓，最終實現邏輯與運算和邏輯或運算。本專利技術技術方案：一種基于磁性斯格明子的邏輯門電路，邏輯門基本單元由兩條輸入磁性金屬納米線右端會聚成一條輸出磁性金屬納米線構成，三根磁性金屬納米線帶有磁頸，控制三個磁頸的寬度不同(如圖2所示的M1，M2和M3)，可以形成“與”邏輯門或者“或”邏輯門；所述的邏輯門為三根磁性金屬納米線構成的三接線端裝置，輸入端由兩根帶有磁頸(MA和MB)的納米線組成，其末端會聚形成一條帶有磁頸(MX)的輸出磁性金屬納米線。輸入端激發磁性斯格明子的結構為凹狀圖形。所述的磁性材料為Co和Pt的雙層薄膜。當所述的邏輯門為“或”邏輯門的“或”功能，兩個輸入端的磁頸寬度相同，且大于輸出端的磁頸寬度。所述的邏輯門為“與”邏輯門的“與”功能，；兩個輸入端的磁頸的寬度、臨界電流相同，且小于輸出端磁頸的寬度、臨界電流。所述的邏輯門單元，輸入端納米線互相平行，在輸出和輸入線之間的過渡部分包括兩根彎曲形狀線5，每根彎曲形狀線包括1/2的向下拋物線狀的線和1/2的向上拋物線狀的線。輸入端(臂)的左端連接有兩個具有相同尺寸的方形電極(1)，輸出端(臂)的右端連接有一個方形電極(1)。所述的邏輯門輸入和輸出間采用電流驅使磁性斯格明子的移動，從而使得磁性斯格明子在磁頸處累積或耗散；斯格明子被所述磁頸捕獲，磁頸電阻相比沒有捕獲磁性斯格明子時大很多；通過磁頸的電流大于磁頸的臨界電流，磁性斯格明子將沿所述電流方向移動，從而磁頸電阻降低，即通過磁頸的電流大于臨界電流，斯格明子在電流的驅動下通過磁頸，不會發生累積，其電阻較小。邏輯的“1”表示在磁頸兩端之間的較低電壓，而邏輯的“0”則表示在磁頸兩端之間的較高電壓。本專利技術器件的制備：首先使用真空濺射生長20nm厚的Co/Pt雙層膜，并在雙層膜上方生長2nm厚的Au膜，作為保護層。然后采用電子束刻蝕，得到帶有磁頸的三條納米線，其中兩條A、B作為輸入，一條X作為輸出，并且在輸入端左側帶制備可以激發斯格明子的凹狀圖形，如圖3所示。最后，采用光刻法為兩個輸入左側、一個輸出端右側以及3個磁頸的左右兩側光刻出電極，并在電極區域蒸鍍Au以便接線。有益效果，提出了一種基于磁性斯格明子的邏輯門電路，利用電流控制薄膜中的斯格明子，可以設計新的電路元件，并與已有的集成電路相兼容。方便實現邏輯與運算和邏輯或運算。附圖說明圖1為基于磁性斯格明子邏輯與門和邏輯或門的結構示意圖；圖2中M1，M2，M3為實現邏輯門所需的3種類型的磁頸(M1，M2，M3)；圖3為輸入端左側產生斯格明子的凹狀結構(圖1中(2))。具體實施方式如圖2所示，M1、M2，M3為3種不同頸寬的磁頸。當有電流I驅動的斯格明子(磁頸中黑色圓點)分別流過這3種磁頸時，由于頸寬不同而導致流過磁頸的電流密度不同，從而影響磁頸中斯格明子的分布，進而改變磁頸左右兩側的電阻。M2相對M1頸寬較寬，故電流密度小，斯格明子在磁頸處累積，磁頸電阻增大；M3相對于M1頸寬較窄，故電流密度大，斯格明子在電流的驅動下沿電流方向移動，磁頸處斯格明子數量減少，磁頸電阻減小。邏輯“1”表示在磁頸的兩端之間較低電壓，而邏輯“0”則表示較高電壓。為實現“或”邏輯門，所述輸入磁頸的臨界電流必須大于所述輸出磁頸的臨界電流，這意味著兩條輸入線的磁頸(MA，MB)的頸寬必須大于輸出線的磁頸(MX)的頸寬，此時MA，MB為M1型磁頸，MX為M3型磁頸。為實現“和”功能，所述兩條輸入磁頸(MA，MB)的寬度必須小于所述輸出線頸縮(MX)的寬度。此外，輸入線磁頸寬度(MA，MB)的總和必須大于輸出頸縮寬度(MX)，此時MA，MB為M1型磁頸，MX為M2型磁頸。首先使用真空濺射生長20nm厚的Co/Pt雙層膜，并在雙層膜上方生長2nm厚的Au膜，作為保護層。然后采用電子束刻蝕，得到帶有長2μm磁頸(MA，MB，MX)的三條納米線，其中兩條A、B左側作為輸入端，一條X右側作為輸出端，并且在輸入端左側帶有可以激發斯格明子的凹狀圖形2(圖1)。最后，采用光刻法為兩個輸入左側、一個輸出端右側以及3個磁頸的左右兩側光刻出電極，并在電極區域蒸鍍Au以便接線，輸入電極為4μm×4μm的方形電極1(圖1)，磁頸兩側3的測量電極4為2μm×2μm(圖1)，彎曲形狀線5。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于磁性斯格明子的邏輯門電路，其特征是邏輯門基本單元由兩條磁性金屬納米線末端會聚成一條磁性金屬納米線構成，三根磁性金屬納米線連接處設有磁頸，三個磁頸具有三種不同寬度，以采用電流提供邏輯運算的控制，形成“與”邏輯門或者“或”邏輯門；所述的邏輯門為三根磁性金屬納米線構成的三接線端裝置，輸入端由兩根并聯的帶有磁頸(M

【技術特征摘要】
1.一種基于磁性斯格明子的邏輯門電路，其特征是邏輯門基本單元由兩條磁性金屬納米線末端會聚成一條磁性金屬納米線構成，三根磁性金屬納米線連接處設有磁頸，三個磁頸具有三種不同寬度，以采用電流提供邏輯運算的控制，形成“與”邏輯門或者“或”邏輯門；所述的邏輯門為三根磁性金屬納米線構成的三接線端裝置，輸入端由兩根并聯的帶有磁頸(MA和MB)的納米線組成，其末端會聚串聯形成一根磁性金屬納米線為帶有磁頸(MX)的一條輸出磁性金屬納米線。2.根據權利要求1所述的基于磁性斯格明子的邏輯門電路，其特征是所述的磁性材料為Co/Pt雙層膜。3.根據權利要求1所述的基于磁性斯格明子的邏輯門電路，其特征是輸入端激發磁性斯格明子的結構為凹狀圖形。4.根據權利要求1所述的基于磁性斯格明子的邏輯門電路，其特征是當所述的邏輯門為“或”邏輯門的“或”功能，輸入端的磁頸寬度大于輸出端的磁頸寬度。5.根據權利要求1所述的基于磁性斯格明子的邏輯門電路，其特征是所述的邏輯門為“與”邏輯門的“與”功能，輸入端的磁頸的寬度、臨界電流分別小于輸出端磁頸的寬度、臨界電流。6.根據...

【專利技術屬性】
技術研發人員：徐永兵，楊龍，劉文卿，
申請(專利權)人：南京大學，
類型：發明
國別省市：江蘇,32