一种基于倾斜电极的电压脉冲调控的纳磁体翻转系统的制作方法

本发明属于自旋电子器件领域，涉及一种基于倾斜电极的电压脉冲调控的纳磁体翻转系统。

背景技术：

随着摩尔定律进一步发展，cmos(complementarymetaloxidesemiconductor)技术开始遇到它的物理尺寸和能耗瓶颈。作为超cmos器件，自旋电子器件因其超低能耗特性、天然非易失性、高抗辐射性，成为新一代技术主流的有力竞争者.自旋电子器件为计算机逻辑运算和存储单元展现出明显的应用价值。它以单轴纳磁体的磁化方向表示布尔逻辑“0”和“1”，并且可以利用磁性隧道结中的隧道磁阻效应，对应低电平和高电平。对纳磁体磁化方向翻转的调控则成为自旋电子器件的关键。现有的调控方法包括电流产生的磁场，自旋电子，电流控制的畴壁运动，电流产生的自旋电子，以及压控应力等。其中，压控应力因其能耗较低和热稳定性较好，成为具有最具竞争力的调控方案之一。对电极施加电压使压电层产生应力形变，这种形变将会传输至磁层使纳磁体的磁化方向倾向于与应力作用方向垂直。这种器件称作应变电子器件，它在应用于存储和逻辑时，纳磁体需要在两个稳定的磁化状态之间完成翻转切换，如何实现单轴纳磁体180°可重复的极性翻转是应变电子器件面临的一大挑战。liu等人在2019年《modelingof180°magnetizationswitchingandclocksensitivityinatiltedmultiferroicnanomagnet》(j.magn.magn.mater.，2019，474：161-166)上提出了一种应力调控的纳磁体180°可重复的极性翻转方案。但是该方案需要提供一个偏置磁场，因而增大了耗能。biswas等人在《experimentaldemonstrationofcomplete180°reversalofmagnetizationinisolatedconanomagnetsonapmn-ptsubstratewithvoltagegeneratedstrain》(nanoletters，2016，17(6)：3478)的实验中使用两个对电极控制，实现了应力调控的可靠的纳磁体180°翻转。liu等人在2019年《efficientdipolecouplednanomagneticlogicinstressinducedellipticalnanomagnetarray》(ieeeelectrondev.lett.，2019,40(2)：220-223)也利用两组电极实现了多个纳磁体1的180°翻转。然而这样的方案虽然能够实现翻转，但是需要较多的电极，增大了器件占用面积，使器件难以集成。利用合适脉冲宽度的电压脉冲可以实现纳磁体在无外加磁场的条件下的可重复180°翻转，但是第一次翻转需要较大的启动时间，因此会使第一次翻转时间较长。而对于多数存储和逻辑计算，第一次翻转是最经常被需要的。因此，实现电压调控纳磁体快速翻转对于自旋电子器件应用于存储和计算面临具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于倾斜电极的电压脉冲调控的纳磁体翻转系统，该系统能够消除应力调控单轴纳磁体翻转时的初始启动时间。

为达到上述目的，本发明所述的基于倾斜电极的电压脉冲调控的纳磁体翻转系统包括压电层以及位于压电层上的电极对及纳磁体，纳磁体的截面为椭圆形结构，电极对中的两个电极位于纳磁体的两侧，且电极对的中心轴与纳磁体长轴之间的夹角为1°-10°。

压电层的材质为pmn-pt。

纳磁体的材质为terfenol-d。

压电层的材质为au。

压电层的厚度为400nm。

纳磁体的厚度为20nm；纳磁体横截面对应的长轴长度及短轴长度分别为100nm及50nm。

电极对中的两个电极均为长方体结构，其中，该长方体结构的横截面为边长为0.4nm的正方形，该长方体的高度为100nm，两个电极边缘间隔距离为1mm。

电极对的中心轴与纳磁体长轴之间的夹角为5°。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的基于倾斜电极的电压脉冲调控的纳磁体翻转系统在具体操作时，纳磁体的截面为椭圆形结构，电极对中的两个电极位于纳磁体的两侧，且电极对的中心轴与纳磁体长轴之间的夹角为5°从而能够克服应力调控单轴纳磁体翻转时的初始启动时间，即在翻转时不需要启动时间，经试验，本发明中纳磁体第一次翻转的时间约为现有研究方案的1/5，极大的提高了初次效率，为自旋电子器件在存储和逻辑功能的应用提供了一种快速、低能耗的基础逻辑翻转方案。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为0k温度下电压脉冲调控纳磁体1极性翻转的动态磁化曲线图；

图3为300k温度下电压脉冲调控纳磁体1极性翻转的动态磁化曲线图。

其中，1为纳磁体、2为压电层、3为电极对。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，本发明所述的基于倾斜电极的电压脉冲调控的纳磁体翻转系统包括压电层2以及位于压电层2上的电极对3及纳磁体1，纳磁体1的截面为椭圆形结构，电极对3中的两个电极位于纳磁体1的两侧，且电极对3的中心轴与纳磁体1长轴之间的夹角为1°-10°，优选的，电极对3的中心轴与纳磁体1长轴之间的夹角为5°。

本发明选用压电系数较高的pmn-pt(pb(mg1/3nb2/3)o3-pbtio3)作为压电层2的材料，选用磁晶各向异性能较小的terfenol-d(tb0.7dy0.3fe2)作为纳磁体1的材料，选用导电性较好的au作为电极对3的材料，纳磁体1和电极对3同时设于压电层2的上表面。

所述压电层2的厚度为400nm；纳磁体1为椭圆柱结构，纳磁体1的长轴为100nm，纳磁体1的短轴为50nm，纳磁体1的厚度为20nm；电极为长方体结构，电极的厚度为100nm，电极的截面尺寸为0.4mm×0.4mm，纳磁体1在两个电极中心线连线的中点位置处。对于厚度为400nm的压电层2,225mvs的电压将产生100mpa大小的应力。

压电层2的底部接地，对压电层2上的电极对3施加电压，使纳磁体1磁化方向从长轴的一端开始翻转。在0k温度下，电极对3接入峰值为225mvs的电压脉冲，脉冲宽度为0.162ns，脉冲间隔为0.312ns，纳磁体1在脉冲作用下，能够实现可重复的极性翻转，且不需要启动时间，翻转频率为2.111ghz；在300k温度下，电极对3接入峰值为225mvs的电压脉冲，脉冲宽度为0.300ns，脉冲间隔为1.000ns，纳磁体1仍然不需要启动时间，能够实现可重复的极性翻转频率为0.769ghz。

本发明的设计过程为：

第一步：获取电极倾斜角度与所需要应力大小关系

设器件尺寸不变，使电极对3的中心轴与纳磁体1的长轴呈0°至10°夹角，探究使纳磁体1能够完成翻转的最小应力值。电极对3中心轴的倾斜角度在10°以上容易引起纳磁体1翻转不稳定，因此没有考虑。结果得到最小应力值对应0°至10°夹角依次为82mpa、73mpa、74mpa、75mpa、77mpa、78mpa、80mpa、83mpa、84mpa及86mpa，为使翻转纳磁体1应力较小，电极对3中心轴的倾斜角度应在1°至5°。

第二步：设置最佳电压脉冲，使翻转时间尽可能短

首先对纳磁体1持续施加100mpa应力，观察纳磁体1极性开始翻转的时刻，记录这一时间为启动时间，然后从纳磁体1开始翻转到纳磁体1翻转到最大程度，即磁化方向翻转到距离另一端最近的时刻，记录翻转时间为电压脉冲宽度，最后在纳磁体1翻转到距离另一端最近时刻撤去电压,观察纳磁体1完全翻转到另一端的时刻，记录这一用时为脉冲间隔时间，将电压脉冲宽度和脉冲间隔相加的结果作为翻转周期。

第三步：获取无启动时间且翻转周期较短的最佳电极对3中心轴的倾斜角度

对不同电极对3中心轴的倾斜角度，重复第二步，得到不同电极对3中心轴倾斜角度下的翻转启动时间，即翻转周期，结果得到只有电极对3中心轴不倾斜时，需要1.6ns的启动时间；电极对3中心轴倾斜时，则不需要启动时间，翻转周期对应0°至10°夹角依次为0.500ns、0.653ns、0.561ns、0.535ns、0.527ns、0.474ns、0.473ns、0.473ns、0.464ns、0.468ns及0.523ns。因此，倾斜角度为5°至8°，纳磁体1不需要启动时间，且翻转周期较短，综合第一步，为同时使纳磁体1翻转所需应力较小，电极对3中心轴的倾斜角度选择为5°。图2为0k条件下，软件模拟纳磁体1可重复翻转的动态磁化过程。

第四步：探究室温条件下(300k)纳磁体1翻转的最佳参数

在室温条件下重复第一步到第三步，得电极对3中心轴倾斜角度仍然应选择为5°，纳磁体1仍然不需要启动时间。但是脉冲宽度为0.300ns，脉冲间隔为1.000ns，实现可重复的极性翻转频率为0.769ghz，图3为300k条件下，软件模拟纳磁体1可重复翻转的动态磁化过程。

本发明使纳磁体1可以在微小的纯电场调控下实现极性的可重复翻转，并且不需要启动时间，第一次翻转的时间约为现有研究方案的1/5，极大提高了初次效率，为自旋电子器件在存储和逻辑功能的应用提供了一种快速、低能耗的基础逻辑翻转方案。