Nature：全电驱动磁逻辑器件

在过去的几十年中，计算机性能的提升主要依赖于硅基半导体器件的持续小型化。随着器件的尺寸逐渐逼近物理极限，运行功耗的大幅提升和可靠性的下降正逐渐成为制约计算机进一步发展的障碍。在尺度效应的红利耗尽之后，摩尔定律的延续依赖新材料的开发和器件构型的技术创新。得益于响应速度快、集成密度高和非易失性等技术优势，磁性材料和磁性器件从众多超摩尔创新中脱颖而出。IBM在2008年公布了新一代的存储技术：基于电磁耦合的Racetrack赛道存储技术。该技术融合了机械硬盘和闪存的特点，同时具备大的存储容量和高的存储速度。存储器件的突破给逻辑器件的发展带来了新的曙光和动力。磁逻辑器件是传统CMOS逻辑器件的有力接替者，也是近年来的科研热门。磁逻辑器件具有本征的非易失存储和逻辑运算的功能，可以实现存储内计算（logic-in-memory），从而可能创造出一种非冯诺伊曼结构的计算机，来支持诸如物联网、大数据和人工智能等需要海量数据存储和运算的新型应用。然而，现存的磁逻辑器件的控制大多依赖外界磁场的干预，实际应用比较困难。瑞士苏黎世理工学院（ETH Zürich）和瑞士保罗谢勒研究所（Paul Scherrer Institute）的罗昭初博士、Laura Heyderman教授和Pietro Gambardella教授及其合作研究团队近日在全电驱动磁逻辑器件方面取得重要进展。这项研究在Racetrack赛道技术的基础上，通过对赛道结构的改进引入了稳定可控的磁畴结构，并利用相邻磁畴之间的手性耦合作用，实现了逻辑器件的功能和全电驱动。该研究成果（Current-driven magnetic domain-wall logic）于2020年03月12日发表于《自然》（Nature）杂志上（Nature, 2020. doi.org/10.5281/zenodo.3557288.）

该研究展示的全电驱动磁逻辑器件由Pt/Co/AlO_x三层结构的纳米线组成。器件结构和工艺过程如图1a所示。镀于Si/SiN_x基底的Pt/Co/Al三层薄膜，经光刻和离子束刻蚀形成纳米线结构，最后经Al层的局部氧化形成器件。器件的初始磁化状态如图1b所示，Co层中呈现三种磁化方向。两个取向相反的面外磁畴被一个面内磁畴隔开（面外和面内磁畴分别对应AlO_x和Al下方区域），并且相邻磁畴的取向呈特定的手性特征（图1b中为左手性）。这样的手性特征来源于以下几个因素的平衡作用：（一）Pt-Co界面处自旋-轨道耦合作用和Co-AlO_x界面处的Co-O作用使Co层的磁化方向偏向于垂直方向（垂直磁各向异性）；（二）Pt-Co界面处的Dzyaloshinskii–Moriya interaction（DMI）作用迫使相邻磁畴的取向互相垂直，并呈手性；（三）Co-Al界面处垂直磁各向异性相对较弱，为面内取向的形成创造了条件。这种稳定的手性耦合意味着单边面外取向的翻转必然导致面内以及另一边面外取向的翻转，这就实现了逻辑非门的功能。图1c演示了该器件实现逻辑功能的原理和过程。左边取向朝下的磁畴局部翻转后在与未翻转区域接壤的边界形成磁畴壁。在通电情况下，电子流在自旋霍尔效应的驱使下在Pt层发生偏转形成垂直方向的自旋流。自旋流的注入在畴壁处产生自旋-轨道矩（图1c中的H_SOT），迫使畴壁处磁化方向发生转动从而推动畴壁向前移动，直至赛道上所有的磁畴都发生翻转。如图1d所示，作者利用磁-光克尔效应显微镜（MOKE）实时观测证实了这一过程。

  作者以图１b所示的非门结构作为基本模块，进一步构建了一种可重构的与非（NAND）/或非（NOR）逻辑门。如图2a所示，该逻辑门由两个输入端（a和b），一个bias端和一个输出端构成。输入端a，b和bias端构成了一个多数决定逻辑门。通过控制bias端的初始状态，可以实现与非/或非的切换。作者在与非和或非架构下分别制作了四个器件，对应四种输入状态，并使用高分辨磁力显微镜（MFM）验证了器件的有效性。磁性与非和或非门的实现具有重要意义，因为它们是逻辑运算的核心，任意布尔逻辑都可以由单个或多个与非/或非门的组合来实现。如图3b和c所示，通过多个与非门的直接级联，分别实现了半加器和全加器的功能。作者还进一步对磁逻辑器件的功能进行了拓展。利用如图3a所示的Y型结构，可以使用电信号来实现磁输入信号的选择和分配。

  通过以上实验，作者展示了一种全新的磁逻辑器件设计，并论证了该型器件的逻辑功能和全电驱动性。虽然在实验中为了简化设计，器件的初始化和信号读取仍然需要分别借助外界磁场和磁信号检测设备，但是正如作者在论文中所指出的，这些外部辅助手段完全可以通过成熟的可植入技术如磁性隧道结（magnetic tunnel junctions）来替代。全电驱动的磁逻辑器件凭借其高度的集成化、超快的响应速度、非易失性和低功耗，有望在不久的将来取代电子逻辑器件，和磁性存储器一起开启计算机发展的新篇章。

  该工作中的MFM测试是在Bruker公司的Dimension ICON原子力显微镜系统上完成的。Dimension ICON系统是一款性能强大的综合性实验平台，集形貌、力学、电学、磁学、热学、电化学和纳米操纵等众多微纳表征技术与一体。Dimension Icon系统是世界上应用最广泛的大样品台原子力显微镜。上至300 mm直径的超大样品台设计，可以满足各类尺寸样品的测试需求。Bruker独创的峰值力轻敲模式（PeakForce Tapping）极大地简化了原子力显微镜的操作难度，并通过直接、精确的样品-针尖相互作用力的控制，在提高分辨率的同时可以最大限度地提高探针使用寿命和减小样品磨损。此外，Bruker于近期发布的数据立方（DataCube）功能更是令Dimension ICON系统具备了高通量大数据的采集和分析能力，为科研的进步和发展再添一把利器。

  PS：感谢论文第一作者罗昭初博士对本文的勘误！

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论文链接: https://www.nature.com/articles/s41586-020-2061-y 

Bruker Dimension Icon原子力显微镜介绍：https://www.bruker.com/products/surface-and-dimensional-analysis/atomic-force-microscopes/dimension-icon/overview.html