基于磁畴壁传输的自旋波逻辑器件的研究

摘要

随着集成电路集成度的不断提高，传统的微电子器件发展已经遇到了瓶颈。因为当器件的设计尺度达到纳米量级时，这类以电子为信息载体的器件在信息处理和传输过程中产生的能量损耗将难以承受，因此需要寻找一种新器件来满足未来信息技术发展的需求。在众多的备选技术中，以自旋波为信息载体的磁振子器件，由于具有设计尺寸小、能量损耗低、传输速度快等特点，成为未来开发的新器件的有力竞争者。本文采用微磁模拟方法设计了一种新型的双层磁性薄膜波导，该波导能够通过交换耦合作用产生布洛赫型磁畴壁，并且能将自旋波限制在畴壁内进行传输。在详细研究了其传输特性的基础上，基于该波导设计了异或非门（XNOR gate）和非门（NOT gate）磁振子逻辑器件。 本文首先通过微磁仿真软件构建了具有硬软磁双层膜结构的波导模型，然后通过外磁场使波导具有磁矩垂直面外分布的磁结构，并且在撤去外磁场后，软磁层能在与硬磁层间的交换耦合作用下形成稳定的布洛赫型磁畴壁。接着，本文对该波导施加正弦形脉冲激励，然后通过对波导单元格的二维傅里叶变换得到自旋波的色散曲线。进一步对色散曲线的研究表明：波导的畴壁传输通道能够对80GHz以下的自旋波进行传输，并且通道内的自旋波是具有单一模式的后向体波。为了进一步研究自旋波在畴壁通道中的传输特性，我们对25GHz的自旋波在畴壁通道中的传输过程进行了仿真。通过对仿真结果的分析可知，该频率的自旋波在这种布洛赫型磁畴壁波导中的传输速度达到1.72km/s，传输通道的宽度为18.2nm，与奈尔型磁畴壁波导相比，它的自旋波传输速度更快，传输的通道更窄，这些新特性为设计纳米量级高自旋波传输速度的磁振子器件奠定了基础。 另外，在基于对布洛赫型磁畴壁波导的研究基础上，本文设计了异或非门和非门磁振子逻辑器件。该器件是通过电压调制自旋波相位的方式来实现的，它利用电压改变磁性材料的界面磁各向异性，从而使自旋波的相位因有效场的变化而产生相移。本文通过微磁模拟的方法发现，对布洛赫型磁畴壁波导沿长度方向约800nm长的区域施加1.4V电压后，畴壁通道中传输的自旋波会产生π相移。采用这种方法实现相移，能使器件的操作更简单，器件更容易控制。最后，本文将这种移相机制应用到磁振子逻辑器件的设计中，并利用布洛赫型磁畴壁中自旋波的传输特性，使自旋波在弧形畴壁通道内相互干涉，从而输出不同幅值大小的自旋波,最终得到了异或非门和非门的逻辑器件。

目录

声明

第一章绪 论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.2.1自旋波波导材料

1.2.2自旋波逻辑器件

1.3自旋波器件面临的挑战

1.4本论文的主要研究内容

第二章 磁化动力学原理与微磁仿真概述

2.1.1交换作用能

2.1.2磁晶各向异性能

2.1.3退磁能

2.1.4 Zeenman能

2.2磁化动力学原理

2.2.1有效场

2.2.2磁化强度进动方程

2.3微磁仿真原理

2.3.1有限差分法和有限元法

2.3.2微磁仿真计算原理

2.4微磁仿真软件

2.4.1通用仿真软件简介

2.4.2 OOMMF软件介绍

2.5.1非一致进动

2.5.2色散关系的数值计算

2.6本章小结

第三章 基于布洛赫型磁畴壁的波导设计

3.1磁畴壁理论

3.1.1布洛赫型磁畴壁

3.1.2奈尔型磁畴壁

3.2磁畴壁波导的设计

3.2.1模型结构

3.2.2基于交换耦合作用的布洛赫型磁畴壁

3.2.3外磁场对磁畴宽度的影响

3.3波导的传输特性分析

3.3.1波导色散关系

3.3.2自旋波频率对波导传输特性的影响

3.3.3软磁层厚度对自旋波传输特性的影响

3.3.4特定频率下的自旋波传播特性

3.4本章小结

第四章 基于布洛赫型磁畴壁波导的器件设计

4.1电压控制移相器设计

4.1.1不同材料间的界面磁各向异性

4.1.2模型结构设计

4.1.3仿真验证结果

4.2弯曲型布洛赫型磁畴壁波导的逻辑门设计

4.2.1逻辑异或非门的设计

4.2.2逻辑非门的设计

4.2.3基于布洛赫型畴壁的自旋波逻辑器件的特点

4.3本章小结

第五章 总结与展望

5.1总结

5.2展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间的研究成果