一种应变控制的可重构自旋波通道及控制方法
阅读说明：本技术 一种应变控制的可重构自旋波通道及控制方法 (Strain-controlled reconfigurable spin wave channel and control method ) 是由 周浩淼 王凡 朱明敏 邱阳 郭荣迪 吴国华 郁国良 于 2021-06-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种应变控制的可重构自旋波通道及控制方法,包括衬底层,所述衬底层上方设有磁性层,所述磁性层上方设有压电层,所述压电层上表面设有顶部电极,所述磁性层上设有激发区。方法包括：构建模拟自旋波通道获取自旋波色散曲线；根据自旋波色散曲线选取施加应变并获取激发频率；构建应用自旋波通道；激发区内采用交变磁场按照激发频率激发并施加应变；自旋波在通道内稳定激发并传播。上述技术方案通过构建可重构自旋波通道,在通道区域内施加应变影响内部有效场,导致自旋波色散曲线发生移动,通道可重构,自旋波传输过程中不会产生固有焦耳热,其外围电路由电压控制,避免了磁场或电流的使用。(The invention discloses a strain-controlled reconfigurable spin wave channel and a control method thereof. The method comprises the following steps: constructing a simulated spin wave channel to obtain a spin wave dispersion curve; selecting applied strain according to the spin wave dispersion curve and acquiring excitation frequency; constructing an application spin wave channel; exciting and applying strain in the excitation area by adopting an alternating magnetic field according to excitation frequency; the spin wave is stably excited and propagated in the channel. According to the technical scheme, the reconfigurable spin wave channel is constructed, the strain is applied in the channel region to influence the internal effective field, so that the spin wave dispersion curve moves, the channel is reconfigurable, the inherent joule heat cannot be generated in the spin wave transmission process, the peripheral circuit is controlled by voltage, and the use of a magnetic field or current is avoided.)
技术领域
本发明涉及自旋电子器件技术领域，尤其涉及一种应变控制的可重构自旋波通道及控制方法。
背景技术
随着摩尔(Moore)定律的发展接近极限，传统半导体生态将迎来巨大改变。晶体管尺寸及集成电路规模很快无法满足现代计算系统需求，对于未来高性能电子设备的发展，业界提出了利用电子等粒子的自旋开发可编程器件的构想。自旋波有望成为未来低功耗自旋电子器件中的有效信息载体。与传统微电子器件依靠电子传播信息不同的是，自旋波是磁性材料中电子自旋的集体进动，能够携带诸如频率，相位等信息。自旋波传输过程中不依靠粒子的运动，因此不存在焦耳热，这是设计超低功耗自旋电子器件的优势所在。
有资料显示，基于磁场或电流控制的自旋电子器件已经被广泛研究，但其外围电路复杂，并且电路不可避免的带来焦耳热。采用施加应变的方法可有效规避磁场及电流的使用，且无需复杂设计，对器件的集成化有很大好处。
中国专利文献CN108767107B公开了一种“电场调控的二维自旋电子器件及其制备方法”。采用了涉及自旋电流的产生和极化率的电场调控。器件结构包括第一BN二维材料/掺杂铁磁金属的III-VI族硫属化物二维材料/第二BN二维材料的三明治结构、与第一BN二维材料和第二BN二维材料连接的透明电极，以及与III-VI族硫属化物二维材料连接的沟道电极。铁磁金属掺杂在III-VI族硫属化物二维材料的晶格替位或间隙位，使III-VI族硫属化物二维材料的电子出现自旋极化；自旋极化的电子在入射激光激发下经由沟道回路产生自旋电流，通过外加垂直电场调节掺杂铁磁金属的III-VI族硫属化物二维材料的磁结构在铁磁耦合与反铁磁耦合之间转变，从而可在0～100％范围内调控自旋电流的极化率，构成极化率电可控的二维自旋电子器件。上述技术方案基于电流控制自旋电子产生焦耳热，不利于集成化。
发明内容
本发明主要解决原有的技术方案基于磁场或电流控制自旋电子产生焦耳热，不利于集成化的技术问题，提供一种应变控制的可重构自旋波通道及控制方法，通过构建可重构自旋波通道，在通道区域内施加应变影响内部有效场，导致自旋波色散曲线发生移动，并且其通道可在磁性超薄薄膜区域内任意选择，且自旋波可在弯曲非规则通道内传输，自旋波传输过程中不会产生固有焦耳热，其外围电路由电压控制，避免了磁场或电流的使用。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种应变控制的可重构自旋波通道，包括衬底层，所述衬底层上方设有磁性层，所述磁性层上方设有压电层，所述压电层上表面设有顶部电极，所述磁性层上设有激发区。磁性层用于自旋电子的移动，压电层实现对自旋电子的控制，激发区施加交变磁场激发电子。
作为优选，所述的压电层y轴方向长度小于磁性层，压电层x轴方向长度小于等于磁性层，压电层y轴方向上一端与磁性层齐平，压电层x轴方向上位于磁性层中心。
作为优选，所述的激发区设于压电层y轴方向上不与磁性层齐平的一端下方，所述激发区在x轴方向上贯穿磁性层，所述激发区内设有交变磁场。
作为优选，所述的自旋波通道表面覆盖铁磁超薄薄膜，所述铁磁超薄薄膜为钴铁硼材料饱和磁化强度Ms＝1e6A/m，交换刚度A＝1.9e-11J/m,第一磁弹耦合常数B1＝-6.9e6J/m3,各向异性常数k＝6.5e5J/m3。通道区域内施加应变会影响内部有效场，导致自旋波色散曲线发生移动，自旋波色散曲线能够反映自旋波频率与波矢的关系。
作为优选，所述的磁性层y轴方向两端设有高阻尼。距薄膜左右两端特定区域内设置较高的阻尼，以尽可能减少自旋波传播到边缘时产生的反射。
一种应变控制的可重构自旋波通道的控制方法，包括以下步骤：
S1构建模拟自旋波通道获取自旋波色散曲线；采用有限元的方法模拟了自旋波在所构建通道内的传输。通过对比未施加应变情况下自旋波色散曲线，可得到一个自旋波激发频率范围，在激发频率范围内，通道内自旋波可被有序激发，通道外无法满足自旋波激发条件，因此本发明所述自旋波可以仅被约束在构建的通道内传播。
S2根据自旋波色散曲线选取施加应变并获取激发频率；
S3构建应用自旋波通道；
S4激发区内采用交变磁场按照激发频率激发并施加应变；
S5自旋波在通道内稳定激发并传播。
作为优选，所述的步骤S1激发区内采用交变磁场进行激发，激发函数为H＝sinc(2πft)，其中f＝20GHz以激发出足够多频率的自旋波，分别对不施加应变和施加应变的仿真数据执行二维傅里叶变换取得自旋波色散关系曲线。
作为优选，所述的步骤S2自旋波色散曲线解析公式：
其中，A为交换常数，Ms为饱和磁化强度，U0为真空磁导率，H为除应变场外总的有效场，Hε为应变场，εzz为z轴方向上施加的应变，mx＝my＝0,mz＝1，B1为磁弹耦合常数，c为磁性层厚度。
作为优选，所述的应变场
其中，mx＝my＝0,mz＝1，B1为磁弹耦合常数，εxx为x轴方向上施加的应变，εyy为y轴方向上施加的应变，εzz为z轴方向上施加的应变。应变方向关系是xx＝yy＝-zz＝4000ppm。
作为优选，所述的z轴方向上施加的应变εzz的应变范围为0ppm-8000ppm。通过在z轴方向上施加的应变εzz＝4000ppm应变时其色散曲线产生明显的下移。
本发明的有益效果是：
1.本发明所述自旋波传输过程中不会产生固有焦耳热，其外围电路由电压控制，避免了磁场或电流的使用，因此，本发明为未来小型化、低功耗自旋电子器件提供了设计思路。
2.本发明所述的可重构自旋波通道，其通道可在磁性超薄薄膜区域内任意选择，且自旋波可在弯曲非规则通道内传输。可重构的自旋波通道设计简单，能够为未来高集成自旋电子器件设计提供指导。
附图说明
图1是本发明的一种获取自旋波色散曲线的层级结构图。
图2是本发明的一种在两种应变情况下计算的自旋波色散曲线。
图3是本发明的一种构建的自旋波通道层级结构图。
图4是本发明的一种构建自旋波通道微磁学仿真结果图。
图5是本发明的一种构建的“Y”形通道自旋波传输的二维结构图。
图6是本发明的一种构建的“Y“形通道自旋波传输微磁学仿真结果图。
图中1衬底层，2磁性层，3压电层，4顶部电极，5激发区。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：本实施例的一种应变控制的可重构自旋波通道及控制方法，如图3所示，包括衬底层(1)，所述衬底层(1)上方设有磁性层(2)，所述磁性层(2)上方设有压电层(3)，所述压电层(3)上表面设有顶部电极(4)，所述压电层(3)y轴方向长度小于磁性层(2)，压电层(3)x轴方向长度小于等于磁性层(2)，压电层(3)y轴方向上一端与磁性层(2)齐平，压电层(3)x轴方向上位于磁性层(2)中心。所述磁性层(2)上设有激发区(5)，所述激发区(5)设于压电层(3)y轴方向上不与磁性层(2)齐平的一端下方，所述激发区(5)在x轴方向上贯穿磁性层(2)，所述激发区(5)内设有交变磁场。磁性层(2)y轴方向两端设有高阻尼。
所述自旋波通道表面覆盖铁磁超薄薄膜，所述铁磁超薄薄膜为钴铁硼材料饱和磁化强度Ms＝1e6A/m，交换刚度A＝1.9e-11J/m,第一磁弹耦合常数B1＝-6.9e6J/m3,各向异性常数k＝6.5e5J/m3。
一种应变控制的可重构自旋波通道的控制方法，包括以下步骤：
S1构建模拟自旋波通道获取自旋波色散曲线；激发区(5)内采用交变磁场进行激发，激发函数为H＝sinc(2πft)，其中f＝20GHz以激发出足够多频率的自旋波，分别对不施加应变和施加应变的仿真数据执行二维傅里叶变换取得自旋波色散关系曲线。
S2根据自旋波色散曲线选取施加应变并获取激发频率；自旋波色散曲线解析公式：
其中，A为交换常数，Ms为饱和磁化强度，U0为真空磁导率，H为除应变场外总的有效场，Hε为应变场，εzz为z轴方向上施加的应变，mx＝my＝0,mz＝1，B1为磁弹耦合常数，c为磁性层厚度。
应变场
其中，mx＝my＝0,mz＝1，B1为磁弹耦合常数，εxx为x轴方向上施加的应变，εyy为y轴方向上施加的应变，εzz为z轴方向上施加的应变，z轴方向上施加的应变εzz的应变范围为0ppm-8000ppm。应变方向关系是xx＝yy＝-zz＝4000ppm。
S3构建应用自旋波通道；
S4激发区内采用交变磁场按照激发频率激发并施加应变；
S5自旋波在通道内稳定激发并传播。通过在磁性超薄薄膜区域内任意选择施加应变大小及方向实现对自旋波的改变，无需对通道进行改变，实现了自旋波通道的可重构。
图1为本发明所述可重构自旋波通道中获取色散曲线一种典型结构设计图。通过压电材料的逆压电效应在通道区域内施加三个方向(X、Y、Z)的应变。该应变影响内部有效场构建出自旋波通道。左端区域设定一激发区，激发区内施加一定频率的交变磁场便可在磁性薄膜中持续激发自旋波。距薄膜左右两端特定区域内设置较高的阻尼，以尽可能减少自旋波传播到边缘时产生的反射。
图2为本发明选取一种特定尺寸薄膜在施加应变为0ppm和4000ppm情况下的结构图及进行自旋波色散关系计算结果图，图2中的色散曲线是用有限元数据经傅里叶变换得到的，并不是直接用公式绘制的，只是傅里叶变换结果和公式是可以拟合上的，可以说明结果正确性。图1磁性薄膜的尺寸为2000纳米长，150纳米宽，1纳米厚。在左右两端25纳米区域内设置了高阻尼。距左端125纳米设置了长度50纳米宽的激发区，激发区内采用交变磁场进行激发。激发函数为H＝sinc(2πft)，其中f＝20GHz以激发出足够多频率的自旋波。分别对不施加应变和施加应变的仿真数据执行二维傅里叶变换取得图2所示的自旋波色散关系曲线。结果图中得出施加4000ppm应变时其色散曲线产生明显的下移。这一现象能让本发明所述施加应变构建可重构自旋波通道得以实现。
图3为本发明设计的一种构建直线自旋波通道的示意图，图4为构建自旋波通道微磁学仿真结果图，但本发明并不仅局限于此。图3设计的薄膜尺寸为2000纳米长，500纳米宽，1纳米厚，在中间区域设计了1875纳米长，150纳米宽的应变施加区域作为自旋波传播通道。根据图2所示的自旋波色散关系选取了4000ppm应变的施加，激发区域分别采用3.6GHz和4.2GHz单频磁场激发自旋波，这两种频率均可在4000ppm应变作用下稳定激发出自旋波而不能在无应变作用区域形成自旋波稳定激发。
图4为分别在4000ppm应变作用下施加3.6GHz和4.2GHz频率激励的微磁学仿真结果图，自旋波均在通道内形成稳定的激发和传播。4.2GHz频率激励形成了波长较短的自旋波。
图5为本发明设计的一种“Y”自旋波通道的示意图及微磁学仿真结果图，但本发明并不仅局限于此。图5设计的薄膜尺寸为2000纳米长，750纳米宽，1纳米厚，在薄膜区域内设计了150纳米宽的“Y形通道”。在通道区域内施加4000ppm应变构建出自旋波通道，以3.6GHz单频磁场作用于激发区域。采用“Y”自旋波通道具有两种应用方式，第一种应用方式如图5所示将激发区5设置在“Y形通道”左侧，通过在“Y形通道”右侧双通道中施加不同应变实现双出口不同方向的自旋波；第二种应用方式是“Y形通道”右侧双通道右端分别设置激发区，通过有测双通道不同激发区及相应应变实现对双通道中自旋波的改变，使双通道中自旋波汇聚到左侧通道中，实现统一通道输出。
图6所示的微磁学仿真结果图可看出自旋波在“Y”形通道内稳定激发并传播。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了、、、等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
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