一种基于异质多铁结构全局应变时钟的纳磁体择多逻辑门

利用正、负磁致伸缩系数材料(Terfenol-D,Ni)对相同应变的响应差异,提出了一种基于异质多铁结构全局应变时钟的纳磁体择多逻辑门,设计了“高应力启动-低应力计算”的两步择多计算模式,使用MuMax3微磁学仿真软件建立了该器件的微磁学模型,并研究了其能量演化情况和周期能耗.仿真结果表明:异质多铁结构全局应变时钟纳磁体择多逻辑门能够成功地对任意的3端输入组合连续执行择多计算;应用两步择多计算模式,该器件计算正确率可达100%,其执行连续计算的周期为2.75 ns,周期能耗约64 aJ.研究发现:应力各向异性能和偶极子耦合能变化引起的能量势阱变化是决定该器件磁化动力学行为的主要原因.本文研究结果可为纳米磁逻辑电路的设计提供重要指导.

倾斜边缘纳磁体对磁性量子元胞自动机互连线信号传递的影响

纳磁体倾斜边缘是磁性量子元胞自动机(Magnetic quantum cellular automata,MQCA)制备过程中常见的缺陷。研究倾斜边缘纳磁体的位置、缺失程度、形状等对互连线的影响,并分析了纳磁体间距和厚度对倾斜边缘MQCA互连线信号传递的影响。仿真结果得出,倾斜边缘对互连线的信号传递产生三种影响:正常、反向和中断。倾斜边缘的缺失尺寸越大,互连线的信号传递受到的影响越大;难磁化轴方向边缘完全缺失的情况下,较小的垂直缺失尺寸即可对互连线信号传递造成较大影响;较薄的厚度和较小的间距更有利于包含倾斜边缘纳磁纳磁体的互连线信号的正常传递。这些结论对于MQCA电路的制备、缺陷分析以及倾斜边缘纳磁体的特殊应用具有重要意义。

一种奇异形状纳磁体逻辑器件的转换特性

研究了出现单个角缺失形状缺陷的纳磁体逻辑器件的转换特性.采用磁学计算软件对该类奇异形状纳磁体逻辑器件在角缺失幅度、纳磁体厚度和磁性材料变化下的首选磁化特性进行了仿真,发现不同材料制备的角缺失型纳磁体逻辑器件其首选逻辑态出现在邻近的临界角缺失幅度上,坡莫合金纳磁体极易受角缺失形状缺陷的影响,镀膜厚度的增加和高饱和磁化材料阻碍了器件首选逻辑态的出现.这些结果为如何控制并应用奇异形状纳磁体逻辑器件的首选磁化特性提供了重要的理论参数.

基于多铁纳磁体的择多逻辑门三维磁化动态特性研究

建立了多铁纳磁体择多逻辑门的三维磁化动态模型,并施加应变时钟(应力或电压)对多铁择多逻辑门的择多计算功能进行了动态仿真,同时分析了应变时钟工作机制以及它与择多逻辑门可靠转换之间的关系.仿真结果表明所建三维动态模型准确地描述了择多逻辑门的工作机制,在30 MPa应力作用下,择多逻辑门接受新输入实现了正确的择多计算功能.研究还发现对中心纳磁体和输出纳磁体依次撤去应变时钟时,提前撤去输出纳磁体上的应力会降低择多逻辑门的正确计算概率,而延迟撤去输出纳磁体上的应力会降低择多逻辑门的工作频率.研究结果深化了人们对多铁择多逻辑门动态特性的认识,可为多铁逻辑电路的设计提供重要指导.

基于倾斜纳磁体翻转倾向性的与(或)逻辑门应力模型

纳米磁性逻辑器件具有高抗辐射性、低功率、天然非易失性等优势,应用前景广阔.倾斜放置的纳磁体具有翻转倾向性,在控制时钟撤去后倾斜纳磁体倾向于翻转至长轴的一端.利用倾斜纳磁体的翻转倾向性,提出了一种应力调控的与(或)磁逻辑门,并建立了其动态磁化的数学模型.使用微磁学方法对逻辑门进行了仿真,结果验证了预期逻辑门功能.与现有的逻辑门相比,基于倾斜纳磁体的与(或)门结构具有能耗更低、可靠性更高和制造工艺更简单等优点.

非对称条形纳磁体的铁磁共振频率和自旋波模式

通过建立微波激励下的非对称条形多铁纳磁体的微磁模型,研究了倾斜角和缺陷角对该形纳磁体的铁磁共振谱和自旋波模式的影响.通过对微磁仿真得到的动态磁化数据进行分析发现,非对称条形纳磁体倾斜角度增加,铁磁共振频率随之增加,而这一现象与纳磁体的缺陷角度无关.倾斜角不变,非对称条形纳磁体的铁磁共振频率与缺陷角度呈单调递增关系,并且不同缺陷角度纳磁体的自旋波模式显示出极大的差异.非对称条形纳磁体与矩形纳磁体相比,它的自旋波模式局部化,具体为非对称条形纳磁体的自旋波模式不对称且高进动区域存在于边缘,表现为非对称边缘模式.倾斜角改变导致纳磁体内部退磁场变化,引起纳磁体边缘模式的移动,而中心模式对倾斜角的变化并不敏感.最后,对建立的模型在高频微波磁场激励下的磁损耗进行了分析,验证了模型的可靠性.这些结论说明缺陷角和倾斜角可用于纳磁体自旋波模式和铁磁共振频率的调谐,所得结果为可调纳磁微波器件的设计提供了重要的理论依据和思路.

椭圆柱纳磁体全自旋逻辑器件开关特性

基于自旋传输和磁动力学耦合模型,研究了纳磁体形状对全自旋逻辑(ASL)器件临界开关电流以及开关延迟时间和功耗的影响。仿真结果显示,由于椭圆柱纳磁体构成的ASL器件易磁化轴方向退磁因子相比长方体纳磁体器件要小,所以其形状各向异性能和临界开关电流更小。从而在相同的注入电流情况下,椭圆柱纳磁体构成的ASL器件磁矩翻转时间比长方体纳磁体更短,所以椭圆柱纳磁体开关延迟时间和功耗均小于长方体纳磁体构成的ASL器件。上述结论为合理选择纳磁体形状提供了理论依据,所得结果对ASL器件的设计及应用具有重要的意义,为优化ASL器件开关延迟时间和功耗提供了一种新的方法。

基于形状工程的可靠磁性逻辑器件和触发器实现

纳米级磁性逻辑器件是一种新兴的场耦合计算范例,可用于实现非易失性和极低功耗的磁性逻辑电路.然而,杂散磁场和温度波动热效应阻碍了器件和电路的可靠转换.该文研究了对称缺失等腰三角形特殊形状纳磁体的转换特性,提出了利用这种特殊形状纳磁体实现磁性逻辑器件可靠转换的方法.基于特殊形状纳磁体器件设计了流水线RS触发器时序电路,并采用OOMMF软件进行了性能模拟.结果表明,特殊形状纳磁体实现的基本触发器电路不但能够进行可靠的流水线计算,同时还具有较高的工作温度和良好的按比例缩小特征.

量子元胞自动机器件和电路的研究进展

量子元胞自动机(QCA)是一种新颖的纳米技术,该技术不再通过电流或电压而是基于场相互作用进行信息的计算和传递。首先,综述了两种量子元胞自动机(EQCA和MQCA)器件的计算原理、基本逻辑门和时钟。指出了QCA元胞构成的不同线结构可在相同层交叉传递信号而不受影响。然后,进一步总结了制备QCA器件和功能阵列或电路的实验方法和材料,得出MQCA器件和分子EQCA器件的发展将使该器件逐步达到实际应用水平的结论。详细讨论了目前QCA器件和电路(尤其是存储单元结构)研究取得的重要进展以及面临的问题。提出了QCA器件未来理论和应用研究中的开放课题和方向。

磁耦合元胞自动机逻辑器件的形状可重配置结构

磁耦合元胞自动机逻辑器件(即纳磁体逻辑器件)是后CMOS时代的一种极具潜力的新技术,具有无引线集成、极低功耗和天然非易失性等优点.纳磁体逻辑器件由纳米级单畴磁体构成,而磁体的形状是其一个重要的器件特征参数.本文研究了不同特殊形状纳磁体的转换特性,获得了改变特殊形状器件状态的时钟场值.提出了基于不同尺寸特殊形状纳磁体的可重配置择多逻辑门,采用OOMMF软件验证了形状择多逻辑门的输入可重配置性,得到了顺序配置不同输入组合所需的时钟场.该可重配置门结构的提出为磁性可编程逻辑计算电路的实现奠定了重要的理论基础.

混合时钟驱动的自旋神经元器件激活特性和计算性能

自旋神经元是一种新兴的人工神经形态器件,其具有超低功耗、强非线性、高集成度和存算一体等优点,是构建新一代神经网络的强有力候选者.本文提出了一种磁场辅助磁弹应变驱动的混合时钟自旋神经元,利用OOMMF微磁学仿真软件建立了该神经元器件的微磁学模型,基于LLG方程建立了其数值仿真模型,利用所设计的自旋神经元构建了3层神经网络,研究了不同纳磁体材料(Terfenol-D,FeGa,Ni)神经元器件的激活特性及其对MNIST手写数字数据集识别性能的影响.OOMMF仿真和数值模拟发现,设计的混合时钟结构能够成功驱动纳磁体发生随机磁化翻转,有效模拟生物神经元的激活行为和特性.MNIST手写数字识别结果表明:当输入不同范围的磁场使得3种材料的自旋神经元都达到饱和识别精度时,该自旋神经元器件具有与Sigmoid神经元器件相同的识别能力,有望替代传统的CMOS神经元,并且选择合适的磁致伸缩层材料能够进一步降低智能计算的整体功耗;当输入相同范围的磁场时,Ni构成的自旋神经元的识别速度较慢.研究结果可为新型人工神经网络和智能电路的设计及应用奠定一定的理论基础.

磁性量子元胞自动机功能阵列的实验研究

采用电子束光刻、热蒸镀和剥离工艺在室温下制备了多组磁性量子元胞自动机器件功能阵列.实验研究了曝光剂量和曝光时间对三个不同间距参数磁性量子元胞自动机阵列图案的影响,发现100 pA电子束束流和0.38μs曝光时间可获得理想的阵列图案.对制备的反相器阵列结构进行了磁力显微测试,结果显示了正确的逻辑功能,成功实现了不同间距参数功能阵列的实验制备.此外.实验还发现纳磁体阵列制备中容易出现缺陷,模拟结果表明丢失纳磁体缺陷导致了信号传递反相.