阅读说明：本技术 一种电控可变逻辑功能器件及操作方法 (Electrically controlled variable logic function device and operation method ) 是由 郭健平 许捷凯 丁力 韦中超 于 2020-07-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于石墨烯对阵列结构的电控可变逻辑功能器件及操作方法,该功能器件包括非金属衬底；所述非金属衬底的表面沉积具有有序排列的单层石墨烯结构；所述单层石墨烯结构可以分成两个部分：第一部分由沿Y方向排列的两条相同的平行石墨烯纳米线组成,它们具有固定的化学势能；第二部分由沿X方向排列的两条相同的平行石墨烯纳米线组成,其化学势能由外部电压控制。信号光是由Z方向向下入射。将X方向横向排列的两条石墨烯纳米线的电压作为逻辑门的输入端口,Z方向入射的信号光作为输出信号可构成电控可变、光电混合式逻辑功能器件。本逻辑门具有结构简单、控制方便等特点,在设备检测、物联网等多个应用领域具有较好的应用前景。(The invention discloses an electric control variable logic function device based on a graphene pair array structure and an operation method, wherein the function device comprises a non-metal substrate; depositing a single-layer graphene structure with ordered arrangement on the surface of the nonmetal substrate; the single layer graphene structure can be divided into two parts: the first part consists of two identical parallel graphene nanowires arranged along the Y direction, and the two identical parallel graphene nanowires have fixed chemical potential energy; the second part consists of two identical parallel graphene nanowires arranged along the X direction, and the chemical potential energy of the second part is controlled by external voltage. The signal light is incident downward from the Z direction. The voltage of two graphene nanowires transversely arranged in the X direction is used as an input port of a logic gate, and signal light incident in the Z direction is used as an output signal to form an electric-control variable and photoelectric mixed logic function device. The logic gate has the characteristics of simple structure, convenience in control and the like, and has a good application prospect in multiple application fields such as equipment detection, Internet of things and the like.)

一种电控可变逻辑功能器件及操作方法

技术领域

本发明涉及光子芯片技术领域，具体涉及一种基于石墨烯对阵列结构的电控可变逻辑功能器件及操作方法。

背景技术

多年来，电子器件受到其自身固有的延迟和电流热效应等特性的影响，在性能上存在一定的缺陷。与电子计算相比，光学计算具有超高速、超宽带信息处理、高集成度等优点。光学计算和处理一直被认为是克服电子设备基本性能限制的重要方式。

近年来，石墨烯被认为是一种未来革命性的材料，因其具有优异的光学、电学特性，在材料学、微纳加工等方面展现出重要的应用前景。

电磁诱导透明(EIT)导致光在共振条件下，通过相消干涉，介质在吸收谱中产生了一个或多个透明窗,使不透明介质在共振条件下变得透明。

近来，纳米尺度的光学逻辑栅极器件由于其在光学计算系统和光互连网络领域的重要应用而引起了极大的关注。已经出现了许多基于光子微观结构和等离子体激元纳米结构的光学逻辑门，如光子晶体，微环谐振器，石墨烯氧化物膜，光子和等离子体激元纳米线和半导体光放大器。

根据以上介绍，基于石墨烯对阵列结构的电控可变逻辑功能器件及操作方法具有操作简单，体积小，效率高，结构简单，功能多样化等优点。

发明内容

有鉴于此，本发明针对现有问题公开了一种基于石墨烯对阵列结构的电控可变逻辑功能器件及操作方法，其通过电压调控石墨烯，灵活地控制其化学势能的变化，巧妙地应用类EIT效应，实现不同的逻辑方法。同时，其具有结构简单，小型化、紧凑化、稳定性较好的特点。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术手段：

一方面，本发明提供一种基于石墨烯对阵列结构的电控可变逻辑功能器件，包括非金属衬底；所述非金属衬底的表面沉积具有有序排列的单层石墨烯结构，所述单层石墨烯结构分成两个部分：第一部分为沿Y方向排列的两条相同的平行石墨烯纳米线，它们具有固定的化学势能；第二部分为沿X方向排列的两条相同的平行石墨烯纳米线，其化学势能可调，由外部电压控制；逻辑门的输入信号是X方向排列的两条石墨烯纳米线的电压，输出信号是Z方向入射的信号光。

作为优选，所述非金属衬底为石英基板。

作为优选，信号光输入端为基于石墨烯对阵列结构的电控可变逻辑功能器件的上表面，信号光输出端为基于石墨烯对阵列结构的电控可变逻辑功能器件的下表面。

作为优选，非金属衬底横向宽度为1.2μm至1.8μm，纵向宽度为0.8μm至1.2μm，厚度为150nm至250nm。

作为优选，石墨烯纳米线只有单层结构，且具有完全相同的结构参数，其长度为500nm至700nm，宽度为80nm至120nm。

作为优选，Y方向排列的两条相同的平行对称的单层石墨烯纳米线的间距为700nm至900nm。

作为优选，X方向排列的两条相同的平行对称的单层石墨烯纳米线的间距为70nm至120nm。

作为优选，X方向排列的两条单层石墨烯纳米线中其一条单层石墨烯纳米线位于所述电控可变逻辑功能器件的中央位置。

另一方面，本发明提供一种基于石墨烯对阵列结构的电控可变逻辑功能器件的操作方法，包括如下步骤：

选择不同波长的单色光作为输入信号光；

通过施加电压，改变输入端石墨烯纳米线的化学势能，以其为依据确定输入二进制状态值；

将作为输入端口的石墨烯纳米带按顺序确定输入端口的输入状态；

在器件的下表面处，根据透射率的高低确定输出二进制状态。

作为优选，不同逻辑操作之间的切换，通过改变X方向排列的两条石墨烯纳米线上所施加电压来实现。

与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

(1)规格上仅为微纳尺度器件，结构小型化、紧凑化，便于集成。

(2)通过改变施加电压的大小选择性控制改变横向的平行石墨烯纳米线的化学势能可以达到不同模式间的切换，易于操作。

(3)结构简单，便于生产。

(4)有着非常明显的逻辑输出对比度，可以大幅降低逻辑操作的误码率。

(5)实现非门，与非门，A≤B逻辑门，A≥B逻辑门在同一结构上的集成应用，通过改变入射波长而集成了多个逻辑运算功能而不需要对现有纳米结构进行调整。

(6)具有较强的耦合谐振效应，适应于高性能光逻辑处理。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明优选实施例中基于石墨烯对阵列结构的电控可变逻辑功能器件的示意图；

图2为基于石墨烯对阵列结构的电控可变逻辑功能器件的操作方法的流程图；

图3为本发明实施例中基于本器件进行逻辑操作的具体装置图；

图4为本发明实施例中实现非门时输入不同二进制信号的透射光谱，可作为逻辑非门输出二进制的判断依据；

图5为本发明实施例中实现与非门时输入不同二进制信号的透射光谱，可作为逻辑与非门输出二进制的判断依据；

图6为本发明实施例中实现A≤B逻辑门时输入不同二进制信号的透射光谱，可作为逻辑A≤B输出二进制的判断依据；

图7为本发明实施例中实现A≥B逻辑门时输入不同二进制信号的透射光谱，可作为逻辑A≥B输出二进制的判断依据。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，本实施例提供的是一种基于石墨烯对阵列结构的电控可变逻辑功能器件，本发明优选实施例中，包括非金属衬底(石英基板)10；所述非金属衬底10的表面沉积具有有序排列的单层石墨烯结构。

上述基于石墨烯对阵列结构的电控可变逻辑功能器件，所述单层石墨烯结构可以分解成两个部分：第一部分由沿纵向(Y方向)排列的两条相同的平行石墨烯纳米线20组成，它们具有固定的化学势能；第二部分由沿横向(X方向)排列的两条相同的平行石墨烯纳米线(31、32)组成。

将横向排列的两条石墨烯纳米线作为输入端口，通过施加电压获得目标化学势能。

本实施例中，信号光由Z方向入射到基于石墨烯对阵列结构的电控可变逻辑功能器件，信号光输入端为逻辑器件的上表面，即具有覆盖石墨烯纳米线的一面，信号光输出端为逻辑器件的下表面。

本实施例中，所述基于石墨烯对阵列结构的电控可变逻辑功能器件，其非金属衬底横向的宽度可为1.2μm至1.8μm，纵向的宽度可为0.8μm至1.2μm，厚度为150nm至250nm。

本实施例中，石墨烯纳米线只有单层结构，且具有完全相同的结构参数，其长度可为500nm至700nm，宽度可为80nm至120nm。

本实施例中，石墨烯结构中，纵向排列的两条相同的平行对称的单层石墨烯纳米线的间距可为700nm至900nm；横向排列的两条相同的平行对称的单层石墨烯纳米线的间距可为70nm至120nm，且其一条单层石墨烯纳米线位于所述单元结构的中央位置。

实施例2

如图2所示，本发明提供一种基于石墨烯对阵列结构的电控可变逻辑功能器件的操作方法，包括如下步骤：

a、根据要进行的逻辑操作，选择不同波长的单色光作为输入信号光；

b、通过施加电压，改变输入端石墨烯纳米线的化学势能，以其为依据确定输入二进制状态值；

c、将作为输入端口的石墨烯纳米线上所施加的电压按顺序确定为输入端口的输入状态；

d、在器件的下表面处，根据透射光的强弱或者透射率的高低确定输出二进制状态。

实施的具体装置图如图3所示，由沿横向(X方向)排列的两条相同的平行石墨烯纳米线施加相应的电压作为两个输入端口，参照对应逻辑操作电压值与逻辑值的关系，改变输入端石墨烯纳米线的化学势能，以其为依据确定输入二进制状态值；信号光由Z方向入射到基于石墨烯对阵列结构的电控可变逻辑功能器件，通过测量透射光的强弱或者透射率的高低来确定输出二进制。

不同逻辑操作之间的切换，通过改变X方向排列的两条石墨烯纳米线上所施加电压来实现。

以下介绍本发明能够进行的逻辑运算的操作方法。在本发明实施例中，纵向排列的石墨烯纳米线的化学势能始终为0.54eV。

非门操作

输入的入射光的波长设置为30um；

对输入端口的横向石墨烯纳米线施加电压，改变其化学势能。将加载在石墨烯纳米线上的化学势能为0.54eV时，对应的输入二进制高状态为逻辑状态“1”，加载化学势能为0eV对应的输入二进制低状态为逻辑状态“0”；

将作为输入端口的石墨烯纳米带按顺序确定输入端口的输入状态,如图4所示分别输入：“00”、“11”时两种状态的透射谱；

当探测到对应波长光波透射率低于0.10时输出二进制低状态为逻辑状态“0”，反之则输出二进制高状态为逻辑状态“1”。

从图4可知，当输入“00”所对应的透射率分别为0.998，输出逻辑状态为“1”；当输入“11”所对应的透射率为0.096，输出逻辑状态为“0”。

如表1所示，分别输入：“00”、“11”时两种状态的真值表，此时可以实现非门的逻辑操作。

表1

与非门操作

将入射光的输入波长设置为30um；

对输入端口的横向石墨烯纳米线施加电压，改变其化学势能。将加载在石墨烯纳米线上的化学势能为0.54eV时，对应的输入二进制高状态为逻辑状态“1”，加载化学势能为0eV对应的输入二进制低状态为逻辑状态“0”；

将作为输入端口的石墨烯纳米带按顺序确定输入端口的输入状态,如图5所示分别输入：“00”、“01”、“10”、“11”时四种状态的透射谱。

当探测到对应波长光波透射率低于0.15时输出二进制低状态为逻辑状态“0”，反之则输出二进制高状态为逻辑状态“1”。

从图5可知，当输入“00”、“01”、“10”所对应的透射率分别为0.998，0.992，0.977，输出逻辑状态为“1”；当输入“11”所对应的透射率为0.096，输出逻辑状态为“0”。

如表2所示，分别输入：“00”、“01”、“10”、“11”时四种状态的真值表，此时可以实现与非门的逻辑操作。

表2

A≤B逻辑门操作

将入射光的输入波长设置为34um；

对输入端口的横向石墨烯纳米线施加电压，改变其化学势能。将加载在石墨烯纳米线上的化学势能为0.54eV时，对应的输入二进制高状态为逻辑状态“1”，加载化学势能为0eV对应的输入二进制低状态为逻辑状态“0”；

将作为输入端口的石墨烯纳米带按顺序确定输入端口的输入状态,如图6所示分别输入：“00”、“01”、“10”、“11”时四种状态的透射谱；

当探测到对应波长光波透射率低于0.50时输出二进制低状态为逻辑状态“0”，反之则输出二进制高状态为逻辑状态“1”。

从图6可知，当输入“00”、“01”、“11”所对应的透射率分别为0.998，0.982，0.987，输出逻辑状态为“1”；当输入“10”所对应的透射率为0.442，输出逻辑状态为“0”。

如表3所示，分别输入：“00”、“01”、“10”、“11”时四种状态的真值表，此时可以实现A≤B逻辑门的逻辑操作。

表3

A≥B逻辑门操作

将入射光的输入波长设置为32.24um；

对输入端口的横向石墨烯纳米线施加电压，改变其化学势能。将加载在石墨烯纳米线上的化学势能为0.54eV时，对应的输入二进制高状态为逻辑状态“1”，加载化学势能为0eV对应的输入二进制低状态为逻辑状态“0”；

将作为输入端口的石墨烯纳米带按顺序确定输入端口的输入状态,如图7所示分别输入：“00”、“01”、“10”、“11”时四种状态的透射谱；

当探测到对应波长光波透射率低于0.30时输出二进制低状态为逻辑状态“0”，反之则输出二进制高状态为逻辑状态“1”。

从图7可知，当输入“00”、“10”、“11”所对应的透射率分别为0.998，0.986，0.937，输出逻辑状态为“1”；当输入“01”所对应的透射率为0.254，输出逻辑状态为“0”。

如表4所示，分别输入：“00”、“01”、“10”、“11”时四种状态的真值表，此时可以实现A≥B逻辑门的逻辑操作。

表4

与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

(1)规格上仅为微纳尺度器件，结构小型化、紧凑化，便于集成。

(2)通过改变施加电压的大小选择性控制改变横向的平行石墨烯纳米线的化学势能可以达到不同逻辑操作的切换，易于操作。

(3)结构简单，便于生产。

(4)有着非常明显的逻辑输出对比度，可以大幅降低逻辑操作的误码率。

(5)实现非门，与非门，A≤B逻辑门，A≥B逻辑门在同一结构上的集成应用，通过改变入射波长而集成了多个逻辑运算功能而不需要对现有纳米结构进行调整。

(6)具有较强的耦合谐振效应，适应于高性能光逻辑处理。

(7)是一种电控可变、光电混合式逻辑功能器件，有利于进行器件芯片集成。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。