基于忆耦器的新型信息功能器件研究

发布时间：2020-11-09 13:21

　　 信息技术的发展要求计算机具有更高的信息存储和处理能力,而随着半导体工艺已经逼近物理极限,摩尔定律已经逐渐失效。在这种情况下,人们急需开发具有全新原理的新一代信息功能器件,满足未来信息技术对于高密度、低能耗、非易失性等方面的要求。现代计算机普遍采用运算器和存储器分离的冯·诺依曼架构,数据在运算器和存储器之间的传输成为限制计算机性能的瓶颈(称为冯·诺依曼瓶颈)。因此,为突破现有计算机的发展瓶颈,一种将运算器与存储器结合(logic in memory)的非冯·诺依曼架构被提出来,这其中发展具有存储能力的非易失性逻辑器件成为关键问题。此外,人类大脑具有低功率、高效率的特点,受此启发,发展人工神经突触器件和类神经网络,将对实现类脑计算技术具有重要的意义。在本论文中,我们在一种基于磁电耦合效应的新器件——忆耦器——的基础上,来探究其在非易失性存储器、布尔逻辑器件及类神经突触器件中的应用。主要研究成果如下:1.研究了基于忆耦器的非易失性存储器。制备了忆耦器PMN-PT/TerfenolD,并研究了外磁场和电极化方向对忆耦器磁电耦合系数的调控。发现当外磁场不变时,翻转忆耦器电极化的方向,其磁电耦合系数发生反号,并且磁电耦合系数能够长时间的保持。对忆耦器反复施加正负电压脉冲,忆耦器的磁电耦合系数也随之反复变化。此外,当我们通过施加合适的电压脉冲时,可以将忆耦器的电极化部分翻转,此时,其磁电耦合系数也处于中间某一状态,并且该状态也能长时间保持。最终,通过选择合适的电场在忆耦器中实现了4态和8态的连续变化,从而实现了基于忆耦器的非易失性存储器和非易失性的多态存储。2.研究了基于忆耦器的布尔逻辑器件。制备了忆耦器Ni/PMN-PT/Ni,并通过选择合适的逻辑运算操控方法,实现了两个通用逻辑门——NAND和NOR。此外,制备了忆耦器FeGa/PMN-PT/FeGa,并通过控制忆耦器的初始值、器件两端的电场和读取信号的相位等四个变量,在单个忆耦器中实现了所有16个布尔逻辑的运算。3.研究了基于忆耦器的类神经突触器件。在忆耦器Ni/PMN-PT/Ni中,通过施加连续的脉冲电压,实现了突触可塑性中的长程增强和长程抑制过程,并且采用特殊设计的电压脉冲序列,在忆耦器中实现了脉冲时间依赖的可塑性(STDP)。基于上述结果,我们模拟了忆耦器阵列来验证基于忆耦器的神经网络的学习行为。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN60;TP333
【部分图文】：

高密度、低能耗信息功能器件成为未来信息技出的一种基于非线性磁电耦合效应的记忆元件应用潜力。基于忆耦器设计开发新型信息功能器述了忆阻器和忆耦器概念的提出、复合多铁性材器件的研究进展。在此基础上，对本文的选题思出中，电荷（q）、电流（i）、电压（v）和磁通们之间的线性关系分别定义了电阻（R）、电感图 1.1 所示。对应的两端无源电子器件分别为电r）和电容器（capacitor），被称为基本电路元

路元件的完整关系图，直线代表线性关系定义的电路元件，曲线元件。[1]omplete relational graph of fundamental two-terminal circuit elem the circuit elements defined by the linear relationship, and the curts defined by the nonlinear relationship.[1]基本对称性的考虑，居里首先在 1894 年预言了磁电耦23]在 1926 年首先提出了磁电（magnetoelectric）的概念理，磁电耦合效应一直没有得到重视。直到 2003 年，在 BiFeO3薄膜中发现了大的室温电极化[24]并在 TbMn应。由于其在实际应用中的巨大潜力，多铁性材料和磁泛的重视和研究[26, 27]。我们可以使用一块磁电耦合介明治结构，如图 1.4 所示，并在其中实现了纵向和横向

图 1.5 四种线性基本电路元件的线性关系，（a）i-v，（b）v-q，（c）i-φ，（d）q-φ 的线性关系分别定义了电阻、电容、电感和电耦。[1]Fig. 1.5 The linear behaviors of four fundamental circuit elements, the linear relationships of (a) i-v, (b) v-q, (c) i-φ and (d) q-φ define the resistance, capacitance, inductance and transtance.[1]因为忆耦器是由磁电介质制备的一类电路器件，所以它很容易被识别：（1）和其他三个电路器件（电阻器、电容器、电感器）一样，它是一种独立的被动线性和时间不变器件，因此满足线性和时间不变的系统理论[29]。对于忆阻器来说，这是不适用的。（2）在磁电介质中，α 可以是正值也可以是负值，这与电阻、电容和电感有显著的不同。后三者一直为正值，因此如图 1.5 所示，两个基本电路变量之间的线性关系定义了电阻、电容和电感，并且其线性斜率一直为正值。而对于电耦（T）来说，其 q-φ 之间的线性斜率可以为正值或者负值（如图 1.5（d）所示）。这是 T 中时间反演对称性破缺的结果。（3）在磁电介质中，电耦器只有在 α2=ε0εrμ0μr时才完全可逆[30]。
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本文编号：2876493