一种利用全光控忆阻器实现非易失性布尔逻辑的方法
阅读说明：本技术 一种利用全光控忆阻器实现非易失性布尔逻辑的方法 (Method for realizing nonvolatile Boolean logic by using all-optical control memristor ) 是由 诸葛飞 杨静 胡令祥 于 2021-04-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种利用全光控忆阻器实现非易失性布尔逻辑的方法,所述忆阻器包括两个电极端口：顶电极和底电极,以及位于两电极间的中间介质层,其特征在于,所述方法为通过所述底电极层或顶电极层输入光信号,其中包括增加所述忆阻器电导的光写入模式和降低所述忆阻器电导的光擦除模式；在所述光写入模式下,所述光信号为紫外光和可见光；在所述光擦除模式下,所述光信号为可见光和近红外光；所述逻辑的输入为忆阻器的初始电导态和光信号；所述逻辑的输出为忆阻器的最终电导态。本发明公开的方法利用的全光信号调控相比电信号调控,具有带宽高,功耗低,串扰小等优点,在实施光电逻辑运算方面具有很大优势。(The invention discloses a method for realizing nonvolatile Boolean logic by using an all-optical control memristor, wherein the memristor comprises two electrode ports: the method is characterized in that an optical signal is input through the bottom electrode layer or the top electrode layer, and the optical signal comprises an optical writing mode for increasing the conductance of the memristor and an optical erasing mode for reducing the conductance of the memristor; in the optical writing mode, the optical signals are ultraviolet light and visible light; in the optical erasing mode, the optical signals are visible light and near infrared light; the inputs of the logic are the initial electrical conductivity and optical signal of the memristor; the output of the logic is the final electrical conduction state of the memristor. Compared with electric signal regulation, the all-optical signal regulation and control method disclosed by the invention has the advantages of high bandwidth, low power consumption, small crosstalk and the like, and has great advantages in the aspect of implementing photoelectric logic operation.)
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，具体涉及一种利用全光控忆阻器实现非易失性布尔逻辑的方法。
背景技术
忆阻器是1971年蔡少棠教授在研究电荷、电流、电压与磁通量之间关系时发现的除电阻器、电容器和电感器以外的第四种电路元件。2008年在惠普实验室首次使用二氧化钛作为介质层制得三明治结构忆阻器后，研究者们就展开了对忆阻器的广泛研究，近几年来更关注于忆阻器的实际应用。随着人工智能的兴起，基于CMOS器件的传统冯·诺依曼架构由于自身计算单元与存储单元相分离，数据需在其间来回调动这一特点，愈发难以满足如今的物联网、大数据时代对智能化发展的需求。忆阻器通常为简单的三明治结构，其电导可以在高低态之间进行切换，如果我们定义低电导态为“0”，高电导态为“1”，则可以自然地进行逻辑运算，加上忆阻器具有的非易失性、结构简单、功耗低等优良特性，使其在非易失性逻辑领域有独特的优势，可有效缓解所谓的冯诺依曼瓶颈。当然，要从根本上解决该问题，还需要从基础器件、电路、架构、系统等多个层面协同创新，发展存算一体的新型计算系统。
存算一体架构最早于1969年被提出。发展至今，存算一体大致可分为三类：(1)非易失性逻辑运算；(2)非易失性算术运算；(3)基于突触长程可塑性的神经形态计算。在逻辑运算方面，惠普公司于2010年提出了一种利用Pt/Ti/TiO2/Pt忆阻器的电路，首次物理实现了实质蕴涵逻辑，只需要3个忆阻器件即可实现与非逻辑，整个存算过程由忆阻器件完成。这一工作充分展示了忆阻器件在存算一体领域的巨大潜力。现有的基于忆阻器的逻辑实现方法主要有两大类：非状态逻辑和状态逻辑。对于非状态逻辑，通常以两个电压信号作为输入，电导值作为输出，具有不同的物理量，由于输入信号是电压，所以当进行下一步逻辑时需要将输出信号转化为电压信号后再重新作为输入，无法直接进行逻辑级联；而对于状态逻辑，输入和输出是以相同物理量表示的。一般情况下，忆阻器的电导态可以通过施加电压信号进行可逆调控。公开号为CN109994139A和CN 111061454 A的中国专利分别公开了在单个单极性和单个双极性忆阻器中利用施加于器件两端的电压调控实现16种非易失性布尔逻辑功能。众所周知，光信号与电信号相比，有着带宽高、串扰小、速度快、并行性好等一系列优点。为了充分利用光的优势并进一步丰富器件的条件翻转，使逻辑操作更加快捷灵活，可以利用光和电混合信号调控忆阻器电导，并实现多种逻辑功能。公开号为CN 109860389A的中国专利公开了利用光电双驱动在忆阻单元内实现了“与”，“或”和“非”三种二进制逻辑功能。以上均为利用全电信号或光电两种信号共同实现布尔逻辑。目前为止，只利用光信号进行器件电导态的可逆调控，并以此实现16种布尔逻辑，还未见报道。
发明内容
本发明提供一种利用全光控忆阻器实现非易失性布尔逻辑的方法，所述忆阻器利用光信号实现16种布尔逻辑，并能够直接进行逻辑级联。
一种利用全光控忆阻器实现非易失性布尔逻辑的方法，所述忆阻器包括两个电极端口：顶电极和底电极，以及位于两电极之间的中间介质层，所述的方法为通过顶电极或底电极输入光信号，包括增加所述忆阻器电导的光写入模式和降低所述忆阻器电导的光擦除模式；
在所述光写入模式下，所述光信号为紫外光和可见光；
在所述光擦除模式下，所述光信号为可见光和近红外光；
所述逻辑的输入分别为忆阻器的初始电导态和光信号；
所述逻辑的输出为忆阻器的最终电导态。
本发明在单一忆阻器上通过不同波长的光信号即可对器件电导进行可逆调控，利用光照既可以增加也可以降低忆阻器的电导，光信号撤除后，忆阻器的电导态具有良好的非易失性，使得所述逻辑能够集数据的处理与存储于一体。
将所述忆阻器的初始电导态和施加在所述忆阻器的光信号分别定义为两个输入变量p、q，将所述忆阻器的最终电导态定义输出变量p'。
将所述忆阻器高/低电导态转变的阈值电流大小定义为Ith；
逻辑输入变量p＝0和q＝0分别定义为器件的初始电导态为低电导态和不施加光信号；
逻辑输入变量p＝1和q＝1定义为器件的初始电导态为高电导态和施加光信号；
逻辑输出变量p'＝0和p'＝1分别代表器件的最终电导态为低电导态和高电导态。
所述施加光信号包括两种模式：所述光写入模式，施加增加忆阻器电导的光信号，进一步优选为绿光；所述光擦除模式，施加降低忆阻器电导的光信号，进一步优选为红光。
所述的中间介质层为氧化物材料，所述中间介质层的厚度为5nm-500nm，进一步优选为50nm。
选用纯氩气环境下制备的单层氧化物薄膜作为中间介质层，与利用缺氧层和富氧层双层氧化物相比，结构更加简单且易于制备。同时，本发明中的忆阻器在实现光擦除时，器件电导随光照时间是连续降低的，而利用双层氧化物薄膜制备的忆阻器，在执行光擦除模式时，器件电导随着光照时间先增加后降低，不利于布尔逻辑功能的实现。
所述的在执行光擦除模式前，先输入波长为350nm-550nm的光信号。较短波长的光信号将忆阻器的电导调至相对较高的电导态以更好的实现光擦除。
所述的光写入模式下，所述光信号为紫外光和可见光，波长为300nm-750nm，进一步优选，光信号为绿光，波长为480nm-550nm。
所述的光擦除模式下，所述光信号为可见光和近红外光，波长为600nm-800nm，进一步优选，光信号为红光，波长为600nm-750nm。
电导调控的主要机制在于氧化物与两边的金属电极形成两个背靠背的肖特基结。当处于平衡状态时，沿两个方向穿过肖特基结的电子数相等，净电流为零。当存在偏压时，一个结处于正向偏置，另一个结处于反向偏置。一般情况下，器件电导由处于反向偏置的肖特基结决定。此外，氧化物中存在大量的氧空位缺陷。肖特基结的宽度主要由电离的氧空位浓度决定，即电离的氧空位越多，肖特基结越窄，反之越宽。在绿光信号的照射下，氧化物中的氧空位被电离生成电子和带电的氧空位，使器件的电导增加。随后施加红光信号，使电极中的电子发生隧穿或直接越过肖特基势垒进入氧化物的导带，与电离的氧空位复合，从而降低器件的电导。
所述的阈值Ith为0.75nA-6nA。
通过合适波长的光信号输入，能够使得忆阻器具有新的电导态，光信号撤除后，在较长时间内，忆阻器的电导态具有非易失性，从而通过阈值稳定区分出忆阻器的最终电导态，保证了布尔逻辑的实现。
本发明提供一种基于单一全光控忆阻器的16种布尔逻辑功能实现方法，包括：以所述忆阻器的初始电导态和光信号作为两个输入，以所述忆阻器的最终电导态为输出，实现布尔逻辑功能。根据功能实现的复杂程度，将16种布尔逻辑分为六类，具体如下：
第一类：直接输入p和q即可实现逻辑功能。
1)或(OR)逻辑，将所述忆阻器的初始电导态作为输入p，绿光信号作为输入q，最终电导态作为输出p'，直接输入p和q即可实现或逻辑；
2)负实质蕴含(NIMP)逻辑，将所述忆阻器的初始电导态作为输入p，红光信号作为输入q，最终电导态作为输出p'，直接输入p和q即可实现负实质蕴含逻辑；
第二类：需要控制光信号；
1)与(AND)逻辑，将所述忆阻器的初始电导态作为输入p，绿光信号作为输入q，最终电导态作为输出p'，p和q输入后施加红光信号作为控制光信号，实现与逻辑；
2)真(TURE)逻辑，将所述忆阻器的初始电导态作为输入p，红光信号作为输入q，最终电导态作为输出p'，p和q输入后，施加绿光信号作为控制光信号，实现真逻辑；
3)假(FALSE)逻辑，将所述忆阻器的初始电导态作为输入p，红光信号作为输入q，最终电导态作为输出p'，p和q输入后，施加红光信号作为控制光信号，实现假逻辑；
第三类：需要光形成操作；
1)反实质蕴含(RIMP)逻辑，将所述忆阻器的初始电导态作为输入p，红光信号作为输入q，最终电导态作为输出p'，在q输入前施加绿光信号执行光形成操作，实现RIMP逻辑；
2)q逻辑，将所述忆阻器的初始电导态作为输入p，绿光信号作为输入q，最终电导态作为输出p'，在q输入前施加红光信号执行光形成操作，实现q逻辑；
第四类：需要测量器件的初始电导态；
1)与非(NAND)逻辑，将所述忆阻器的初始电导态作为输入p，红光信号作为输入q，最终电导态作为输出p'，根据器件的初始电导态决定控制光信号的施加方式。若p＝0，则施加绿光信号作为控制光信号；若p＝1，则不施加，实现NAND逻辑；
2)实质蕴含(IMP)逻辑，将所述忆阻器的初始电导态作为输入p，绿光信号作为输入q，最终电导态作为输出p'，q输入后，施加红光信号并根据器件的初始电导态施加绿光信号，若p＝0，则施加绿光信号；若p＝1，则不施加绿光信号，最终实现IMP逻辑；
3)反负实质蕴含(RNIMP)逻辑，将所述忆阻器的初始电导态作为输入p，绿光信号作为输入q，最终电导态作为输出p'，根据器件的初始电导态决定控制光信号的施加方式。若p＝0，则不施加控制光信号，直接输出；若p＝1，则连续施加两次红光信号，最终实现RNIMP逻辑；
4)p逻辑，将所述忆阻器的初始电导态作为输入p，绿光信号作为输入q，最终电导态作为输出p'，读取器件的初始电导态，若p＝0，则施加红光信号；若p＝1，则不施加红光信号，最终实现p逻辑；
5)非p(NOT p)逻辑，将所述忆阻器的初始电导态作为输入p，红光信号作为输入q，最终电导态作为输出p'，读取初始阻态p，根据器件的初始电导态决定控制光信号的施加方式。若p＝0，则施加绿光信号，不施加红光信号；若p＝1，则施加红光信号，不施加绿光信号，最终实现非p逻辑；
第五类：既需要测量器件的初始电导态，也需要光形成操作；
1)非q(NOT q)逻辑，将所述忆阻器的初始电导态作为输入p，红光信号作为输入q，最终电导态作为输出p'，q输入前根据器件的初始电导态决定光形成操作中光信号的施加方式，若p＝0，施加绿光信号执行光形成操作；若p＝1，则不施加绿光信号，最终实现非q逻辑；
2)或非(NOR)逻辑，将所述忆阻器的初始电导态作为输入p，红光信号作为输入q，最终电导态作为输出p'，q输入前，根据器件的初始电导态决定光形成操作中光信号的施加方式，若p＝0，则施加绿光信号执行光形成操作；若p＝1，则不施加绿光信号，q输入后，再次根据器件的初始电导态决定控制光信号的施加方式，若p＝0，则不施加红光信号；若p＝1，则施加红光信号，最终实现或非逻辑；
第六类：除了需要光形成操作外，还需要测量器件的初始电导态和中间电导态；
1)异或(XOR)逻辑，将所述忆阻器初始电导态作为输入p，绿光信号作为输入q，最终电导态作为输出p'；q输入前，根据器件的初始电导态决定光形成操作中光信号的施加方式，若p＝0，则施加绿光信号，不施加红光信号；若p＝1，则施加红光信号，不施加绿光信号。q输入后，根据器件此时的电导态决定后面控制光信号的施加方式，若处于高电导态，则施加红光信号，不施加绿光信号；若处于低电导态，则施加绿光信号，不施加红光信号，最终实现异或逻辑；
2)同或(NXOR)逻辑，将所述忆阻器初始电导态作为输入p，绿光信号作为输入q，最终电导态作为输出p'；q输入前，根据器件的初始电导态决定光形成操作中光信号的施加方式，若p＝0，则施加绿光信号，不施加红光信号；若p＝1，则施加红光信号，不施加绿光信号。q输入后，根据器件此时的电导态决定控制光信号的施加方式。若处于高电导态，则施加红光信号，不施加绿光信号；若处于低电导态，则施加绿光信号，不施加红光信号，。至此，再次读取器件的电导态，若为高电导态，则施加红光信号，不施加绿光信号；若为低电导态，则施加绿光信号，不施加红光信号，最终输出p'，实现同或逻辑。
本发明还提供了一种逻辑级联的方式：
一种利用全光控忆阻器的逻辑实现方法，前一步逻辑操作的输出以电导的形式保存，以所述电导作为初始电导输入p，以光信号作为另一个输入q，最终电导态作为输出p'，直接实现逻辑级联。
本发明与现有技术相比，主要优点包括：
1)在单个忆阻器件中，利用全光信号取代现有的电信号对忆阻器的电导进行可逆调控，所用光信号的光功率密度处于μW/cm2量级，功耗低且不容易引起器件微结构的变化，与传统的电压调控手段相比，能在一定程度上提高忆阻器件的稳定性和可靠性。
2)利用所述光信号对忆阻器件电导态的调控结果是非易失的，即撤除光照后，调控后的电导能直接存储在器件中很长时间而不会消失，将此特性与布尔逻辑结合，集数据的存储和运算于一体，极大减小了数据频繁搬运所带来的的存储和能耗问题；而且所述忆阻器结构简单，具有优异的可扩展性和与现代互补金属氧化物半导体技术的高度兼容性，使其更具有实际应用价值。
3)通过新的逻辑输入的定义，一个逻辑输入定义为器件的初始电导态，另一个输入定义为光信号，逻辑输出定义为最终电导态，能在单个忆阻器件中实现全16种布尔逻辑功能，在功能的完备性和高效性方面具有优势，加之输入和输出信号均为电导形式给出，进行下一步逻辑步骤时，无需初始化，可以直接实现逻辑级联，大大提高了工作效率。
附图说明
图1为本发明忆阻器的结构示意图，图中：1-顶电极层，2-中间介质层，3-底电极层，4-衬底；
图2为实施例制备的忆阻器分别在黑暗中和530nm绿光光照30s后的电流-电压特性曲线图(步长：10mV)；
图3为实现逻辑功能所用忆阻器经绿光照射后，在不同较长波长下的光响应图，其中较长波长的光信号采用了650nm-800nm的可见光，光功率密度均为36μW/cm2；
图4为实现逻辑功能所用忆阻器在高电导态下电导降低的光响应图，其中光信号采用了650nm-800nm的可见光，光功率密度均为36μW/cm2；
图5为实现逻辑功能所用忆阻器在光信号刺激下实现电导的连续可逆调控图；其中电导值连续增加是采用了50个530nm的绿光脉冲；电导值连续降低是采用了50个650nm的红光脉冲。所用光功率密度均为36μW/cm2；绿光脉冲的脉宽和脉冲间隔均为1s，红光脉冲的脉宽和脉冲间隔均为5s；
图6为本发明提供的一种利用光信号在单个忆阻器中实现16种布尔逻辑功能的实现方法基于实施例的实验结果图，其中(a)为OR逻辑实现结果图，(b)为AND逻辑实现结果图，(c)为RIMP逻辑实现结果图，(d)为NAND逻辑实现结果图，(e)为NOT q逻辑实现结果图，(f)为XOR逻辑实现功能图；
图7为实施例中选择的6种逻辑功能中p'＝1时的非线性拟合结果图，选用的拟合函数为y＝y0+Aexp(-t/τ1)+Bexp(-t/τ2)+Cexp(-t/τ3),其中y0,A,B,C,τ1,τ2和τ3均为常数。其中，(a1)为OR逻辑中p＝0，q＝1，(a2)为OR逻辑中p＝1，q＝0，(a3)为OR逻辑中p＝1，q＝1时的非线性拟合结果；
(b)为AND逻辑中p＝1，q＝1时的非线性拟合结果；
(c1)为RIMP逻辑中p＝0，q＝0，(c2)为RIMP逻辑中p＝1，q＝0，(c3)为RIMP逻辑中p＝1，q＝1时的非线性拟合结果；
(d1)为NAND逻辑中p＝0，q＝0，(d2)为NAND逻辑中p＝0，q＝1，(d3)为NAND逻辑中p＝1，q＝0时的非线性拟合结果；
(e1)为NOT q逻辑p＝0，q＝0，(e2)为NOT q逻辑p＝1，q＝0时的非线性拟合结果；
(f1)为XOR逻辑p＝0，q＝1，(f1)为XOR逻辑p＝1，q＝0时的非线性拟合结果。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的操作方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。
本实施例提供忆阻器结构如图1所示，自下而上依次为衬底4、底电极层3、中间介质层2和顶电极层1，下述实施例中光信号均通过顶电极层1输入。
所述忆阻器的衬底为热氧化硅片，底电极层材料为铂，其厚度为200nm；氧化物层材料采用磁控溅射在纯氩气环境下制备的单层氧化锌(ZnO)薄膜，其厚度为50nm；顶电极层材料采用金，其厚度为10nm。实验中所用光信号均通过顶电极层输入且各波长下的光功率密度均为36μW/cm2。图2为所述忆阻器光照前后的电流-电压特性曲线，器件在正负电压下都发生从高电导态向低电导态转变的特性。与黑暗情况下测得的曲线相比，530nm光照30s后，忆阻器的整体电导增加。图3给出了所述忆阻器经530nm绿光照射60s后对不同长波长的光响应特性。可以看出，530nm的光照使器件电导上升，撤光后，器件表现出持续光电导效应(PPC)，如图中黑暗环境下的曲线所示。与之相比，650nm-800nm的光照能使器件电导降低，且波长越短，器件电导降低的效果越好。图4为所述忆阻器在光擦除模式下的光响应特性。实验中，先利用530nm的绿光将忆阻器调至较高的电导态，随后施加650nm-800nm的光照，均能使忆阻器的电导有明显的降低，且在650nm波长下，电导降低效果最佳。故本实施例中所用光写入模式的光信号为530nm的绿光，光擦除模式的光信号为650nm的红光。图5为所述忆阻器在全光信号下实现电导的连续调控，其中采用50个530nm的绿光脉冲实现器件电导的连续增加，采用50个650nm的红光脉冲实现器件电导的连续降低，绿光脉冲的脉宽和脉冲间隔均为1s，红光脉冲的脉宽和脉冲间隔均为5s。基于上述全光控忆阻器利用不同光信号实现了16种非易失性布尔逻辑功能。我们将输入p和q分别定义为所述忆阻器的初始电导态和光信号，输出p'定义为所述器件的最终电导态，阈值设定为100nS，电导值大于100nS代表逻辑变量为“1”，小于100nS代表逻辑变量为“0”；施加光信号代表逻辑“1”，不施加光信号代表逻辑“0”，该逻辑“1”包括两种定义方式：一种是施加530nm的绿光，增加所述忆阻器电导，另一种是施加650nm的红光，降低所述忆阻器电导。
根据逻辑操作的复杂程度，将16种布尔逻辑功能分成了6类，下面从6类中各选一例进行具体说明：
图6(a)为实现OR逻辑功能的结果图。器件的初始电导和最终电导分别定义为输入p和输出p'，530nm的光信号作为输入q，当p＝0，q＝0时，代表器件初始处于低电导态，无需施加额外控制光信号，即可输出结果“0”；当p＝0，q＝1时，器件初始处于低电导态，随后施加530nm的输入光信号使器件电导增加，撤光后由于产生的PPC效应，电流逐渐衰减，但在很长一段时间内，电流不会衰减至阈值以下，故最终的输出结果为“1”；同理，可以此类推获得p＝1，q＝0和p＝1，q＝1的输出结果，据实验结果可看出，只有当两个输入均为“0”时，器件的最终输出结果才为“0”，其余输出结果均为“1”。
图6(b)为实现AND逻辑的示意图。将器件的初始电导和最终电导分别定义为输入p和输出p'，530nm的光信号作为输入q，在该逻辑中，引入650nm的控制光信号。当p＝0，q＝0时，器件从低电导态经过650nm的光信号照射后，器件电导略有增加，但幅度较低，不会超过设定的阈值100nS，因此，最终的逻辑输出结果为“0”；当p＝0，q＝1时，器件初始处于低电导态，随后施加530nm的输入光信号使器件电导增加，撤光后由于产生的PPC效应，电流逐渐衰减至阈值以下，得到输出结果“1”；同理，可获得p＝1，q＝0和p＝1，q＝1的输出结果，据实验结果可看出，只有当两个输入均为“1”时，器件的最终输出结果才为“1”，其余输出结果均为“0”。
图6(c)为实现RIMP逻辑功能示意图。将650nm的光信号作为输入q，530nm的光作为控制光信号。在输入q前，利用530nm的光信号将器件电导都转为高电导态，执行光形成操作。如，当p＝0，q＝0时，器件从低电导态经530nm的光照射变为高电导态，得到最终的逻辑输出“1”；当p＝0，q＝1时，器件从低电导态先经530nm的光信号使器件电导增加，随后输入q即650nm的光信号，由于在高电导态下施加650nm的光能使器件电导降低，故最终的输出结果为“0”；同理，可获得p＝1，q＝0和p＝1，q＝1的输出结果，只有当p＝0，q＝1时，器件的输出结果为“0”，其余输出结果均为“1”。
图6(d)为实现NAND逻辑功能示意图。将650nm的红光信号作为输入q，530nm的绿光作为控制光信号且该信号由器件的初始电导态决定，若p＝0，则施加530nm的光信号，反之，不施加。具体地，当p＝0，q＝0时，器件从低电导态经530nm的光照射使器件从低电导态变为高电导态，最终输出逻辑结果“1”；同理，可获得p＝0，q＝1、p＝1，q＝0和p＝1，q＝1的输出结果，只有当p＝1，q＝1时，输出结果为“0”，其余输出结果为“1”。
图6(e)为实现NOT q逻辑功能示意图。将650nm的红光信号作为输入q，q输入前，利用530nm的绿光信号执行光形成操作且该操作由器件的初始电导态决定，若p＝0，则施加绿光信号，反之，不施加。具体地，当p＝0，q＝0时，器件从低电导态经530nm的光照射使器件电导从低电导态变为高电导态，最终输出逻辑结果“1”；同理，可获得p＝0，q＝1、p＝1，q＝0和p＝1，q＝1的输出结果，只有当p与q相同时，输出结果为“1”，其余输出结果为“0”。
图6(f)为实现XOR逻辑功能的示意图。实现该逻辑不仅需要光形成操作和读取器件初始电导态，还需要读取器件的中间电导态。具体地，将530nm的光信号作为输入q，530nm的绿光加上650nm的红光作为一组控制光信号，第一组控制光信号由器件的初始电导态决定，执行光形成操作。若p＝0，则施加绿光信号不施加红光信号；若p＝1，则施加红光信号不施加绿光信号。另一组控制光信号由输入q后读取的器件电导态决定，若处于高电导态，则施加红光信号不施加绿光信号；若器件处于低电导态，则施加绿光信号不施加红光信号。具体地，当p＝0，q＝0时，器件从低电导态先经绿光照射使器件从低电导态变为高电导态，随后用红光信号使器件变为低电导态，得到输出结果“0”；同理，可获得p＝0，q＝1、p＝1，q＝0和p＝1，q＝1的输出结果，当p和q相同时，输出结果为“0”，p和q不同时，输出结果为“1”。
由于器件有良好的PPC效应，即撤光后，器件电导会逐渐衰减。在p'＝0的情况下，衰减使器件电导越来越低于设定的阈值(100nS)，不会影响到最终的输出结果。但在p'＝1的情形中，器件电导的不断衰减使得最终的电导态越来越接近阈值(100nS)，较长时间后是不是有可能会衰减至阈值以下，造成逻辑输出结果的不准确。为了确认器件电导的衰减不会影响到逻辑最终的输出结果，对实施例中的6种逻辑中p'＝1时的曲线进行拟合，拟合结果如图7所示，选用的拟合函数为y＝y0+Aexp(-t/τ1)+Bexp(-t/τ2)+Cexp(-t/τ3),其中y0,A,B,C,τ1,τ2和τ3均为常数，其中，如图7(a1)-图7(f2)结果表明，随着时间的推移，6种逻辑中p'＝1时对应的器件电导态能长时间稳定在阈值以上，从而确保了逻辑的准确输出。
此外应理解，在阅读了本发明的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
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