特殊形状纳磁体逻辑器件的转换机理及功能结构研究

Nanomagnet Logic Device (NMLD) possesses great application prospectives in fields such as aviation electronics, arospace electronics,and sensor. In the project, by theoretical and experimental technologies, the theory and application problems of nanomagnet logic devices of peculiar shape will be investigated from the device switching mechanism and function structure realization point of view. Firstly, energy barriers model of different nanomagnet logic devices of peculiar shape is established, switching mechanism and relationships between required clocking field and aspect ratio of nanomagnet logic devices of peculiar shape are widely investigated. The purpose is to reveal the essence of shape-induced specific magnetic logic states. Then, impacts of nanomagnet logic device of peculiar shape(such as spacing effect and missing material magnitude effect, etc) on the magnetic logic interconnects are explored, the effective working areas of interconnects comprising of nanomagnet logic devices of peculiar shape will be provided. Finally, a novel programmable logic structure in nanomagnet logic device of peculiar shape is proposed and experimentally demonstrated；and a new three-phase adiabatic clocking signal scheme is developed, stable and reliable sequential circuit configurations are investigated based on this clocking scheme and nanomagnet logic device of peculiar shape. The development and the prospective achievements of the project can not only strengthen our general congnition to nanomagnet logic device, but also can provide important theoretics and technique supports in improving fabrication technology and designing specific programmable circuit.

纳磁体逻辑器件在航空航天电子和传感器领域具有广泛的应用前景。本项目拟采用理论和实验相结合的方法，分别从器件转换机理和特定功能结构实现这两个角度来探讨特殊形状纳磁体逻辑器件的理论与应用问题。首先建立不同特殊形状纳磁体逻辑器件的能量势垒模型，深入研究特殊形状纳磁体逻辑器件的转换机理以及器件转换所需时钟场和纵横比的关系，以期揭示特殊形状产生特定磁化逻辑态的本质。其次探索特殊形状器件对磁性逻辑互连结构的影响（间距和缺失量效应等），得出含有特殊形状纳磁体逻辑器件的互连结构的正确工作区域。最后提出一种新颖的特殊形状纳磁体器件可编程逻辑结构，加工实验样品；并提出一种新颖的绝热三相位时钟信号方案，研究实现稳定可靠的纳磁体逻辑器件时序电路结构。本项目的开展以及预期研究结果不但能加深对纳磁体逻辑器件的全面和深入认识，同时也能为改进工艺和设计出独特的电路结构（如可编程）提供必要的理论基础和技术指导。

2010年，国际半导体技术路线图（ITRS）报告首次指出：“纳磁体逻辑（Nanomagnet Logic, NML）具有诸如非易失性、天然抗辐射、低功耗和小尺寸的优点，它还能够和MRAM结合实现智能存储器”。NML的这些优势引起了科学研究人员的浓厚兴趣，尤其是天然抗辐射特性使其在航空航天电子等领域具有广阔的应用前景。然而，纳磁体形状特征是NML实际应用中的一个关键因素。空军工程大学杨晓阔副教授课题组在国家自然科学基金青年项目（61302022）的资助下，对特殊形状NML器件的转换机理及功能电路实现进行了系统性的研究工作，取得了如下重要成果：（1）对两种特殊形状NML器件的转换机理进行了理论和实验研究。采用等腰三角形建立了缺陷形状纳磁体的仿真模型，微磁模拟结果表明这种建模方法和实验结果吻合很好，且纳磁体的状态转换与缺陷类型及器件各向异性比密切相关。对单角缺失形状纳磁体在不同参数下的首选磁化特性进行了仿真，发现纳磁体厚度增加阻碍了器件首选逻辑态的出现。建立了对称缺失等腰三角形特殊形状纳磁体的能量势垒模型，发现了其具有逻辑态局部稳定性特征，获得了对其进行可靠转换的条件和方法。（2）建立了椭圆形状多铁NML器件的铁磁耦合作用模型，通过施加应变时钟对铁磁耦合互连线的磁化动态进行了理论模拟。结果表明：合适的应力（19.7 ~20.1 MPa）能够实现逻辑态在铁磁互连线中的正确传递，强耦合阻碍其有效磁化翻转。提出了一种分时多路复用七相位时钟信号，实现了椭圆形状多铁NML器件平面信号交叉线，试验验证了设计的有效性。研究了多铁NML平面互连的精确流水线同步。（3）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，采用磁学软件验证了该电路的输入可重配置性，得到了顺序编程不同输入组合所需的时钟场，电路结构简单、编程高效；基于特殊形状纳磁体设计了流水线RS触发器电路，并采用OOMMF软件进行了功能模拟；基于不同形状纳磁体设计了一个新颖的低功耗磁性数字锁存电路，构建了有效的流水线时钟来确保可靠的时序操作。这些单元电路的提出为磁性抗辐射计算电路的实现奠定了重要的理论和技术基础。