北理工課題組在鐵電疇壁邏輯器件方面取得重要研究進展
發布日期：2022-06-11 供稿：前沿交叉科學研究院
編輯：朱倩云 審核：唐水源 閱讀次數：近日，北京理工大學前沿交叉科學研究院/材料學院王靜、黃厚兵課題組在鐵電疇壁邏輯器件方面取得重要研究進展，與清華大學南策文教授團隊合作，在《Nature Communications》上發表研究成果：“Ferroelectric domain-wall logic units”。該研究工作通過低電壓調控自組裝鐵電納米島中的疇壁網絡形態，實現了“NOT, NAND, NOR”等7種基本邏輯門和“Fan-out”等邏輯電路，為實現全電子存算一體化高密度集成器件提供了設計思路和理論基礎。該論文第一作者為王靜副研究員和清華大學馬靜副教授，通訊作者為黃厚兵研究員和南策文教授。昆明理工大學馬吉教授，北京師范大學張金星教授，清華大學林元華教授和易迪助理教授以及賓夕法尼亞州立大學陳龍慶教授也參與了研究和討論。北京理工大學前沿交叉科學研究院/材料學院Hasnain Mehdi Jafri博士后（已出站），碩士生樊源源，楊華宇，博士生劉迪，清華大學博士生王玥，陳明鳳為合作者。
在過去的幾十年中，鐵性材料中的疇壁（DW）由于其豐富的物理現象和在納米電子學和自旋電子學中的潛在應用引起了大家廣泛的研究興趣。特別值得一提的是最近基于電流或磁場操控鐵磁性疇壁而設計的賽道存儲器[Science 320, 190 (2008)；Science 330, 1810(2010)]和鐵磁疇壁邏輯器件[Science 309, 1688 (2005); Nature 579, 214 (2020)]。但是，由于鐵磁性疇壁寬度較寬，而且電流或磁場的引入極大增加了器件的功耗，因此設計新型疇壁存儲器或邏輯器件迫在眉睫。因為鐵電材料具有更強的各向異性，所以鐵電疇壁表現出較窄的疇壁寬度（僅有幾納米），且鐵電疇壁電導的電場可控性也進一步促進了其在低功耗、高密度存儲器中的應用。近年來，國內外眾多研究小組對鐵電疇壁存儲器件進行了廣泛研究，但是基于鐵電疇壁的邏輯器件卻鮮有報道，這主要是因為鐵電疇壁形態的靈活、穩定控制具有很大挑戰。
圖1 電場控制荷電疇壁開關以及“非”門的設計。
在該工作中，研究學者在自組裝 BiFeO3 納米島陣列的每個島上觀察到了十字形帶電疇壁，且得易于納米島幾何形狀對十字形帶電疇壁的拓撲保護，研究學者可以通過較小電場來穩定、獨立地控制單個導電疇壁的連通和斷開，實現對單個疇壁電阻態的開關控制。通過相場模擬分析，研究學者認為導電疇壁的連通和斷開伴隨著荷電疇壁和中性疇壁的相互轉化。
圖2. 基于相場模擬探究電場對荷電疇壁通斷的調控機制。
在此基礎上，研究學者進一步設計了NAND，NOR等7種基本的邏輯門和“Fan-out”等邏輯電路。該工作為全電子、低功耗、高密度集成的存算一體化器件提供了設計思路和理論基礎。
圖3. 基于鐵電疇壁設計的“或非”邏輯門。
圖4. 基于鐵電疇壁設計的“或”邏輯門。
圖5. 鐵電疇壁邏輯電路與半導體CMOS、鐵磁疇壁邏輯電路的對比。
附作者簡介：
王靜，北京理工大學前沿交叉科學研究院副研究員。主要從事鐵電及多鐵性復雜氧化物薄膜/異質結的外延生長，疇結構演化機理及多場耦合調控方面的研究。發表論文50余篇，包含Nat. Commun., Adv. Mater., Acta Mater., ACS Appl. Mater. Interfaces 等。主持國家自然科學基金青年項目，中國博士后項目，為JAD首屆青年編委。
黃厚兵，北京理工大學前沿交叉科學研究院特別研究員，博士生導師。主要從事相場模擬材料微觀結構演化研究，在Nature, Science, Adv. Mater., Adv. Func. Mater., Acta Mater., Sci. Bull.等期刊發表SCI論文110余篇，多次在國際大會作邀請報告。所開發的模型源代碼已集成于商業軟件μ-Pro。黃厚兵特別研究員先后主持自然科學基金面上、科技部重點研發計劃子任務等5項。擔任“相場與集成計算材料工程會議”理事會常務理事、中國硅酸鹽學會青年工作委員會委員、北京市硅酸鹽學會理事和Adv. Mater. Dev. 青年編委等。
論文詳情：
Jing Wang#, Jing Ma#, Houbing Huang*, Ji Ma, Hasnain Mehdi Jafri, Yuanyuan Fan, Huayu Yang, Yue Wang, Mingfeng Chen, Di Liu, Jinxing Zhang, Yuan-Hua Lin, Long-Qing Chen, Di Yi & Ce-Wen Nan*，Ferroelectric domain-wall logic units, Nat. Commun. 13, 3255 (2022).
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-022-30983-4
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-30983-4
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