石墨烯溝道全自旋邏輯器件開關(guān)特性?

李成 蔡理 王森 劉保軍 崔煥卿 危波

1)(空軍工程大學(xué)理學(xué)院,西安 710051)

2)(空軍工程大學(xué)第一航空學(xué)院,信陽(yáng) 464000)

石墨烯溝道全自旋邏輯器件開關(guān)特性?

李成1)蔡理1)?王森1)劉保軍2)崔煥卿1)危波1)

1)(空軍工程大學(xué)理學(xué)院,西安 710051)

2)(空軍工程大學(xué)第一航空學(xué)院,信陽(yáng) 464000)

全自旋邏輯器件,石墨烯,溝道尺寸,開關(guān)特性

由于石墨烯的電導(dǎo)率相比典型的金屬材料更大,自旋弛豫時(shí)間更長(zhǎng),自旋軌道相互作用更弱,從而在相同的注入電流情況下,自旋電流在石墨烯材料中的耗散作用更弱.基于自旋傳輸和磁化動(dòng)力學(xué)耦合模型,研究了石墨烯溝道全自旋邏輯器件的開關(guān)特性.結(jié)果顯示,在相同的電源電壓下和器件尺寸下,石墨烯溝道材料的全自旋邏輯器件磁矩翻轉(zhuǎn)時(shí)間比Cu溝道更短,流入輸出納磁體的自旋電流更大.同時(shí),長(zhǎng)度越短、寬度越窄的溝道其開關(guān)時(shí)間更短,功耗更小.在滿足磁體磁矩翻轉(zhuǎn)的臨界開關(guān)電流的情況下,石墨烯溝道的可靠工作長(zhǎng)度也顯著大于Cu溝道.所以石墨烯材料是相比于金屬材料更理想的溝道材料.另外,通過合理選擇溝道尺寸,能進(jìn)一步降低器件開關(guān)時(shí)間和功耗.上述結(jié)論為全自旋邏輯器件的優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供了理論參考.

1 引 言

自旋電子器件(spintronics)是利用電子的自旋而不是傳統(tǒng)的電子電荷作為狀態(tài)變量來處理和存儲(chǔ)信息的新型電子器件,由于電子的自旋極化和輸運(yùn)只需要非常小的電流來控制,并且自旋反轉(zhuǎn)是瞬間完成的,所以自旋電子器件具有超低功耗、非易失性、能持續(xù)縮小等優(yōu)點(diǎn),這些特點(diǎn)使自旋電子器件有可能成為未來納電子器件的重要候選者[1].但傳統(tǒng)的自旋電子器件只是利用自旋作為內(nèi)部變量,在邏輯門層面依然采用電子電荷作為狀態(tài)變量[2],因此需要附加硬件結(jié)構(gòu)來進(jìn)行自旋信息與電荷信息間的不斷轉(zhuǎn)換,部分抵消了自旋作為狀態(tài)變量進(jìn)行邏輯運(yùn)算的優(yōu)勢(shì),同時(shí)也增加了器件電路的復(fù)雜度和功耗.全自旋邏輯(all spin logic,ASL)器件[3]在內(nèi)部和邏輯門層面均采用自旋作為狀態(tài)變量來進(jìn)行信息的處理和傳遞,該器件利用納磁體的磁化方向表征和存儲(chǔ)信息,利用自旋電流來傳輸和處理信息,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、集成密度高、體積小且可持續(xù)縮小等優(yōu)點(diǎn).

如圖1所示,ASL器件的接觸層和接地層通常由金屬構(gòu)成,溝道可由非磁金屬或半導(dǎo)體構(gòu)成,納磁體為鐵磁材料,隔離層為絕緣層,阻止自旋電流從一個(gè)溝道流向另一個(gè)溝道影響下一磁體磁矩變化.通過選擇合適的納磁體尺寸,使得每個(gè)納磁體的磁矩只有+x方向和?x方向兩個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài),當(dāng)磁體的磁矩指向+x方向,表示邏輯“1”,指向?x方向,表示邏輯“0”.圖1所示的ASL采用的是非局域自旋閥結(jié)構(gòu)(nonlocal spin valve,NLSV),通過純自旋流的注入、傳輸和探測(cè),實(shí)現(xiàn)信息的傳輸和邏輯功能.在采用半導(dǎo)體作為溝道材料時(shí)由于半導(dǎo)體材料和鐵磁體之間存在電導(dǎo)不匹配,通常自旋注入效率較低,為此在輸入納磁體與溝道間加入一層薄的隧道勢(shì)壘,多為氧化物,例如MgO,Al2O3,SiO2或HfO2等,能顯著提高自旋電流在鐵磁體和半導(dǎo)體溝道間的自旋注入效率[4,5].

圖1 (網(wǎng)刊彩色)全自旋邏輯器件Fig.1.(color online)All spin logic devices.

通常,要實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算,需要輸入和輸出之間具有非倒易性,NLSV結(jié)構(gòu)的ASL器件是通過接地位置的不對(duì)稱性來實(shí)現(xiàn)非倒易性的[6],與接地位置臨近的磁體(輸入磁體)是輸入端,而距離接地位置較遠(yuǎn)的磁體(輸出磁體)是輸出端,文獻(xiàn)[7]提出采用輸入輸出隔離的方式實(shí)現(xiàn)非倒易性完成邏輯運(yùn)算,輸入與輸出之間利用雙極子耦合來實(shí)現(xiàn)信息傳遞完成多個(gè)邏輯器件的連接.ASL除了能實(shí)現(xiàn)非運(yùn)算和復(fù)制邏輯運(yùn)算外,將多個(gè)ASL器件進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪B接還可實(shí)現(xiàn)與門、或門、全加器等基本邏輯電路[8,9].由于自旋軌道耦合和材料中自旋電子低遷移率,一般的傳統(tǒng)非磁金屬材料并不適合作為溝道傳輸自旋電流.文獻(xiàn)[4,10]提出了Si,Al和Cu溝道材料的ASL,研究了電源電壓和溝道長(zhǎng)度對(duì)器件開關(guān)延遲時(shí)間、功耗和自旋注入效率的影響.與傳統(tǒng)的金屬材料作溝道材料相比,文獻(xiàn)[11]采用磁體的疇壁作為溝道材料,在理論上也驗(yàn)證了ASL的工作機(jī)理和相關(guān)特性.綜上所述,當(dāng)前提出的ASL溝道材料主要局限于Cu,Al等金屬或Si,GaAs等半導(dǎo)體材料,由其構(gòu)成的器件在開關(guān)延遲時(shí)間和功耗上與傳統(tǒng)的CMOS器件相比還不具備明顯優(yōu)勢(shì),而且對(duì)于選取何種的溝道材料也缺乏系統(tǒng)的理論依據(jù)和指導(dǎo).所以,探索新的溝道材料來降低器件的開關(guān)延遲時(shí)間和功耗并為溝道尺寸的選取提供理論依據(jù)顯得十分必要.

石墨烯是單層碳原子組成的蜂巢結(jié)構(gòu)的二維材料,其載流子為無質(zhì)量的狄拉克費(fèi)米子,相比傳統(tǒng)的溝道材料如Si,Cu和Al等石墨烯具有更長(zhǎng)的自旋弛豫時(shí)間、更高的電導(dǎo)率[12],自旋電流在其中的耗散作用較弱,能提高溝道的可靠工作長(zhǎng)度和降低開關(guān)時(shí)間,所以石墨烯是相比上述溝道材料更好的選擇.當(dāng)前,石墨烯材料室溫下的自旋注入與自旋傳輸已經(jīng)得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[13].同時(shí),基于非局域自旋閥結(jié)構(gòu)的石墨烯自旋轉(zhuǎn)矩效應(yīng)(spin transfer torque,STT)也已得到證實(shí)[14],文獻(xiàn)[15]已經(jīng)提出了磁性隧道結(jié)(magnetic tunnel junction,MTJ)為基本單元的石墨烯溝道自旋電子器件,采用基于漂移擴(kuò)散方程的自旋注入模型完成了邏輯運(yùn)算,在磁體材料方面選用垂直各向異性磁體材料來降低器件開關(guān)延遲時(shí)間和功耗.但這種MTJ單元下的自旋邏輯器件采用的是兩層納磁體材料,其中上層為固定磁矩層.并非文獻(xiàn)[3]提出的經(jīng)典ASL結(jié)構(gòu),經(jīng)典ASL結(jié)構(gòu)的磁體單元只采用一層自由層磁體,采用自旋傳輸模型來描述自旋電子的注入、傳輸和耗散過程.前期對(duì)經(jīng)典ASL器件的研究中溝道材料只考慮了典型的Cu,Al,Si等,未采用石墨烯作為溝道材料來傳輸自旋信息.文獻(xiàn)[16]對(duì)石墨烯的自旋弛豫時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)做了詳細(xì)比較,但未對(duì)石墨烯作為溝道材料構(gòu)成的ASL器件做詳細(xì)分析,同時(shí)未對(duì)自旋電子器件中的自旋輸運(yùn)載體的尺寸給出理論選擇依據(jù).文獻(xiàn)[17]對(duì)石墨烯的自旋反轉(zhuǎn)和弛豫的微觀機(jī)理進(jìn)行了研究.這些為石墨烯在自旋電子器件中的應(yīng)用提供了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).

本文重點(diǎn)研究采用石墨烯溝道材料的經(jīng)典ASL器件開關(guān)特性,同時(shí)研究了溝道長(zhǎng)度和寬度對(duì)器件開關(guān)特性的影響以及臨界開關(guān)電流下器件的最大可靠工作長(zhǎng)度,并與Cu溝道材料的ASL器件進(jìn)行了對(duì)比,揭示了不同溝道材料對(duì)經(jīng)典ASL器件開關(guān)特性的影響,為優(yōu)化器件的開關(guān)延遲時(shí)間和功耗提供了一種新的溝道材料選擇,同時(shí)為合理選擇溝道尺寸提供了理論依據(jù).

2 電路仿真模型

ASL器件采用的是NLSV結(jié)構(gòu),可用Laudau-Lifshitz-Gilbert(LLG)方程來描述自旋閥結(jié)構(gòu)中的磁化動(dòng)力學(xué)行為[18],用自旋傳輸模型[19,20]來描述電子自旋在磁體、非磁金屬、半導(dǎo)體以及界面間的注入、傳輸和耗散過程.通過將LLG方程與自旋傳輸模型進(jìn)行耦合,可獲得納磁體磁矩的進(jìn)動(dòng)軌跡,最終揭示ASL器件和電路的工作機(jī)理.

2.1 磁矩動(dòng)力學(xué)模型

ASL器件中納磁體n的磁矩動(dòng)力學(xué)行為可用LLG方程加自旋轉(zhuǎn)移力矩來描述:

2.2 自旋傳輸模型

為了解石墨烯溝道材料的ASL器件的開關(guān)特性和機(jī)理,需要計(jì)算自旋電子在鐵磁體與接觸層金屬界面、石墨烯溝道和接地中的注入效率以及在鐵磁金屬與石墨烯溝道內(nèi)的耗散效應(yīng).為此,采用自旋傳輸模型來描述.在自旋傳輸模型中,自旋電流和電荷電流可以表示為

(2)式中,Ic,Is分別表示電荷電流和自旋電流,ΔVc表示兩個(gè)結(jié)點(diǎn)間的電荷電壓降,ΔVs表示兩個(gè)結(jié)點(diǎn)間的自旋電壓降,Vs1表示流入結(jié)點(diǎn)的自旋電壓;Gse與Gsh分別表示等效的水平支路和垂直支路電導(dǎo)矩陣.Gse與Gsh可以為2×2也可以為4×4的電導(dǎo)矩陣.其中界面電導(dǎo)矩陣用GFM-NM描述,反映自旋電子在磁體(ferromagnet,FM)-非磁體(non-magnet,NM)界面處的反射和傳輸特性,非磁電導(dǎo)矩陣用GNM描述,反映自旋電子在非磁材料中的耗散效應(yīng),其可分為水平電導(dǎo)矩陣和垂直電導(dǎo)矩陣.磁體電導(dǎo)矩陣用GFM描述,反映自旋電子在磁性材料中的耗散效應(yīng).基本ASL器件等效的電路圖如圖2所示.

圖2 (網(wǎng)刊彩色)全自旋邏輯器件的等效電路圖Fig.2.(color online)ASL equivalent circuit.

GA1,GI1,GI3,GF1,GC1,GG1,GI5分別為接觸層電導(dǎo)矩陣、鐵磁體與接觸層界面電導(dǎo)矩陣、鐵磁體與石墨烯溝道電導(dǎo)矩陣、鐵磁體電導(dǎo)矩陣、石墨烯溝道電導(dǎo)矩陣、接地層電導(dǎo)矩陣、石墨烯溝道與接地層電導(dǎo)矩陣.其中,鐵磁體與石墨烯溝道的電導(dǎo)矩陣采用垂直支路與水平支路等效的電導(dǎo)矩陣[22],根據(jù)上述等效電路模型,首先假設(shè)納磁體的磁矩方向都為?x方向,根據(jù)自旋傳輸模型采用節(jié)點(diǎn)電壓法對(duì)電路進(jìn)行分析,計(jì)算出兩個(gè)磁體中的自旋電流,根據(jù)自旋電流可以根據(jù)LLG方程計(jì)算出下一時(shí)刻納磁體的磁矩,依次循環(huán)可以得到納磁體的進(jìn)動(dòng)軌跡.

3 石墨烯溝道全自旋器件開關(guān)特性分析

納磁體層的材料選為Co,接觸層和接地層材料選為Cu,溝道材料為石墨烯,在此定義開關(guān)時(shí)間τswitch為納磁體2的m2x由?0.99變?yōu)?.99所經(jīng)歷的時(shí)間,此時(shí)ASL2的磁矩由?x軸翻轉(zhuǎn)到+x軸,功耗為

式中,VDD為加在兩個(gè)納磁體上的電壓;IC1,IC2為流入兩個(gè)納磁體的電荷電流.具體參數(shù)設(shè)置見表1.

表1 全自旋邏輯器件的仿真參數(shù)Table 1.Simulation parameters for ASL devices.

3.1 溝道材料對(duì)磁矩翻轉(zhuǎn)和自旋電流的影響

不同溝道材料的電導(dǎo)率差別很大,而且不同材料自旋軌道耦合作用也不盡相同,這些對(duì)器件的開關(guān)延遲時(shí)間和功耗有很大影響[25].對(duì)石墨烯材料和Cu溝道材料的磁矩翻轉(zhuǎn)與自旋電流的情況進(jìn)行對(duì)比,溝道長(zhǎng)度選200 nm,寬度選為20 nm.

圖3 ASL器件仿真結(jié)果 (a)m1x,m2x隨時(shí)間變化的暫態(tài)軌跡;(b)m2隨時(shí)間變化的三維暫態(tài)軌跡;(c)石墨烯溝道與Cu溝道磁體磁矩隨時(shí)間變化的暫態(tài)軌跡;(d)石墨烯溝道與Cu溝道流入磁體2自旋電流隨時(shí)間變化的暫態(tài)軌跡Fig.3.Simulation results of ASL devices:(a)Transient of m1x,m2x;(b)trajectory of the magnetic moment of the ASL2;(c)trajectory of the magnetic moment of the ASL2 for graphene and copper interconnects;(d)transient of IS2for graphene and copper interconnects.

由圖3(a)可見,正電源電壓VDD(0.05 V)加在接觸層上,ASL2的磁矩在0.2 ns左右翻轉(zhuǎn)到與ASL1的磁矩相反的狀態(tài).通過圖3(b)的納磁體的磁矩三維進(jìn)動(dòng)軌跡更能直觀顯示磁矩翻轉(zhuǎn)情況,在0—0.5 ns時(shí)間內(nèi),納磁體2的磁矩發(fā)生的明顯的翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象,實(shí)現(xiàn)了磁矩的翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象,完成了“非門”邏輯運(yùn)算.在整個(gè)過程中磁體1的磁矩始終保持?x方向.從圖3(c)可以看出,與Cu作為溝道材料的ASL器件相比,石墨烯磁矩翻轉(zhuǎn)時(shí)間提高了0.4 ns,這是由于石墨烯的電導(dǎo)率比Cu高,自旋弛豫時(shí)間更長(zhǎng),所以自旋電流在溝道中耗散作用更弱,在相同的電源電壓和溝道長(zhǎng)度情況下,自旋電流誘導(dǎo)磁矩翻轉(zhuǎn)的時(shí)間更短.圖3(d)為兩種溝道材料下流入納磁體2的自旋電流對(duì)比,可以看出石墨烯溝道流入納磁體2的自旋電流明顯大于Cu溝道,這是由于石墨烯的電導(dǎo)率比Cu高,自旋電流在其中的耗散作用更弱,相同電源電壓和溝道尺寸下流入其中的自旋電流較大,圖中自旋電流有一個(gè)較大的躍變是因?yàn)檩敵黾{磁體的磁矩翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致磁體的電導(dǎo)矩陣發(fā)生變化,而電源電壓不變所以電流有一個(gè)躍變.

3.2 溝道長(zhǎng)度對(duì)開關(guān)時(shí)間和功耗的影響

對(duì)石墨烯和Cu兩種材料下溝道長(zhǎng)度對(duì)開關(guān)時(shí)間和功耗的情況進(jìn)行對(duì)比,電源電壓取為0.05 V,溝道寬度取為20 nm.為體現(xiàn)熱噪聲對(duì)開關(guān)特性的影響,對(duì)相同的數(shù)據(jù)進(jìn)行了5次仿真.

從圖4(a)和圖4(b)可以看出,隨著溝道長(zhǎng)度的增加,開關(guān)延遲時(shí)間和功耗越來越大,這是由于隨著溝道長(zhǎng)度的增加,自旋電流在其中的耗散作用更強(qiáng),導(dǎo)致磁化翻轉(zhuǎn)的時(shí)間增長(zhǎng),功耗也越來越大.相比之下,石墨烯溝道的電導(dǎo)率高,自旋弛豫時(shí)間長(zhǎng),所以其開關(guān)延遲時(shí)間和功耗均比Cu溝道材料小,隨著溝道長(zhǎng)度的增加,同一溝道長(zhǎng)度下得到的開關(guān)時(shí)間和功耗離散性越來越大,這說明熱噪聲的影響越來越大,為降低熱噪聲的影響可以選取較短的溝道長(zhǎng)度.

圖4 溝道長(zhǎng)度對(duì)開關(guān)延遲時(shí)間及功耗的影響 (a)石墨烯與Cu溝道器件開關(guān)延遲時(shí)間隨溝道長(zhǎng)度的變化;(b)石墨烯與Cu溝道器件功耗隨溝道長(zhǎng)度的變化Fig.4.The e ff ects of witching delay time and energy dissipation versus channel length:(a)Switching delay time under a fi xed applied voltage of for graphene and copper interconnects;(b)energy dissipation under a fi xed applied voltage of for graphene and copper interconnects.

3.3 溝道寬度對(duì)開關(guān)時(shí)間和功耗的影響

自旋傳輸模型中溝道的電導(dǎo)矩陣與溝道寬度關(guān)系較大,本節(jié)對(duì)兩種不同材料開關(guān)時(shí)間和功耗對(duì)溝道寬度的情況進(jìn)行仿真,其中溝道長(zhǎng)度選為200 nm,電源電壓選為0.05 V.

圖5顯示隨著溝道寬度的增加,開關(guān)時(shí)間和功耗逐漸增大.這是由于溝道寬度的增加,溝道的電導(dǎo)減小,自旋電流在溝道的耗散作用更強(qiáng).在相同的溝道寬度下,石墨烯的開關(guān)時(shí)間和功耗均小于Cu溝道,這是由于自旋電流在石墨烯中的耗散作用更弱.從上述仿真結(jié)果可以看出,為降低開關(guān)時(shí)間和功耗,需要選擇較窄的溝道寬度,但溝道寬度通常與納磁體的寬度一致,納磁體的長(zhǎng)寬比對(duì)器件的開關(guān)時(shí)間和功耗影響較大[26],所以為降低器件的開關(guān)時(shí)間和功耗,通常要合理選擇溝道的寬度來兼顧納磁體尺寸和溝道兩者對(duì)開關(guān)時(shí)間和功耗的影響.

圖5 溝道寬度對(duì)開關(guān)延遲時(shí)間及功耗的影響 (a)開關(guān)延遲時(shí)間隨溝道寬度的變化;(b)功耗隨溝道寬度的變化Fig.5.The e ff ect of switching delay time and energy dissipation versus different interconnects width:(a)Switching delay time for different interconnects width;(b)energy dissipation for different interconnects width.

3.4 石墨烯溝道材料最大可靠工作長(zhǎng)度

不同磁體材料的臨界開關(guān)自旋電流有很大差別,但溝道作為自旋電流傳輸?shù)妮d體,不同溝道材料對(duì)自旋電流的耗散作用也不盡相同.根據(jù)臨界開關(guān)電流的定義[21]:

式中,Eb=Ku?為各向異性能量勢(shì)壘(?為磁體的體積),當(dāng)流入輸出端的自旋電流Is小于臨界開關(guān)自旋電流Isc時(shí),將無法翻轉(zhuǎn)其磁矩,完成邏輯運(yùn)算.由(4)式計(jì)算出Co納磁體臨界開關(guān)自旋電流約為1.05×10?4A.

圖6為石墨烯材料不同溝道長(zhǎng)度下流入納磁體2的自旋電流,從仿真結(jié)果可以看出,在電源電壓為0.05 V的情況下,溝道長(zhǎng)度為1800 nm時(shí),其自旋電流小于開關(guān)臨界自旋電流,此時(shí)將無法翻轉(zhuǎn)輸出納磁體的磁矩完成邏輯運(yùn)算,所以石墨烯溝道材料的最大工作溝道長(zhǎng)度為1800 nm.Cu溝道材料的ASL器件[23],在相同的電源電壓下,其最大的溝道長(zhǎng)度為600 nm.這是由于石墨烯溝道材料相比Cu溝道材料電導(dǎo)率更大,對(duì)自旋電流的耗散作用更弱,所以采用石墨烯溝道的ASL器件能顯著提高溝道的可靠工作長(zhǎng)度.

圖6 溝道長(zhǎng)度對(duì)自旋電流的影響Fig.6.The e ff ects of transient of spin currents for different channel lengths.

4 結(jié) 論

根據(jù)NLSV結(jié)構(gòu)的ASL器件的磁矩動(dòng)力學(xué)模型和自旋傳輸模型,分別研究了石墨烯作為溝道材料的ASL器件的磁矩翻轉(zhuǎn)時(shí)間與流入輸出納磁體的自旋電流,并與Cu溝道材料的器件進(jìn)行了對(duì)比.研究了不同溝道尺寸對(duì)開關(guān)時(shí)間和功耗的影響以及滿足臨界開關(guān)自旋電流的最大溝道長(zhǎng)度.結(jié)果表明,由于石墨烯的電導(dǎo)率高,自旋弛豫時(shí)間長(zhǎng),自旋軌道相互作用弱,導(dǎo)致器件磁矩翻轉(zhuǎn)時(shí)間低于Cu作為溝道材料的ASL器件,流入輸出納磁體的自旋電流大于Cu溝道材料的器件.隨著溝道寬度和長(zhǎng)度的增加,器件的功耗和延遲時(shí)間均增大,表明寬度越寬、溝道越長(zhǎng)的器件開關(guān)時(shí)間與功耗越大.在滿足磁矩翻轉(zhuǎn)的臨界開關(guān)電流的情況下,石墨烯溝道的最大工作長(zhǎng)度也顯著大于Cu溝道材料的長(zhǎng)度.因此,石墨烯是比Cu更好的溝道材料.同時(shí),兼顧納磁體尺寸和溝道寬度對(duì)器件開關(guān)時(shí)間和功耗的影響,可以通過適當(dāng)選取溝道寬度和盡可能短的溝道長(zhǎng)度來進(jìn)一步降低器件開關(guān)的時(shí)間和功耗.上述結(jié)論為選取合適的溝道材料和尺寸提供了依據(jù),為降低器件的開關(guān)延遲時(shí)間和功耗提供了一種新的方法.另外,石墨烯是由單層碳原子的二維六角格子構(gòu)成,其低能帶呈現(xiàn)出無質(zhì)量手征的Dirac電子特征,其布里淵區(qū)包含兩個(gè)不等價(jià)的能谷.石墨烯中的這兩個(gè)谷由時(shí)間反演對(duì)稱性相聯(lián)系,這與電子自旋十分類似.石墨烯的谷自由度可以視為贗自旋,所以可以利用贗自旋來實(shí)現(xiàn)自旋邏輯器件.利用大塊石墨烯結(jié)構(gòu)中的不同能谷的電子具有不同的布儒斯特角,可以實(shí)現(xiàn)谷依賴的類光學(xué)輸運(yùn)現(xiàn)象,進(jìn)而產(chǎn)生谷極化電流,可以利用谷極化電流來構(gòu)造新的自旋電子器件.所以石墨烯作為新興材料,其器件構(gòu)造思路不局限于傳統(tǒng)的真實(shí)自旋,也可以利用贗自旋來構(gòu)造新的自旋電子器件,這為下一步石墨烯在自旋電子學(xué)中的應(yīng)用提供了一個(gè)新的思路.

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Switching characteristics of all-spin logic devices based on graphene interconnects?

Li Cheng1)Cai Li1)?Wang Sen1)Liu Bao-Jun2)Cui Huan-Qing1)Wei Bo1)
1)(College of Science,Air Force Engineering University,Xi’an 710051,China)
2)(The First Aeronautic Institute,Air Force Engineering University,Xinyang 464000,China)

13 May 2017;revised manuscript

10 July 2017)

Traditional complementary metal-oxide-semiconductor(CMOS)technology has reached nanoscale and its physical limits are determined by atomic theory and quantum mechanics,which results in a series of problems such as deteriorated device reliability,large circuit interconnection delay,and huge static power dissipation.In the past decades,with the discovery of giant magnetoresistance e ff ect and tunnel magnetoresistance e ff ect,spintronics has become a research hotspot in this fi eld.Specially,spin transfer torque e ff ect has been experimentally veri fi ed that the magnetization of a ferromagnet layer can be manipulated using spin polarized current rather than an external magnetic fi eld.Spintronics is a new type of electronics which utilizes spin rather than charge as state variable for electrical information processing and storage.As an example,all spin logic(ASL)devices,which stores information by using the magnetization direction of the nanomagnet and communication by using spin current,is generally thought to be a good post-CMOS candidate.Compared with the typical metal material,the graphene material has a large conductivity,long spin relaxation time,and weak spin-orbit interaction.Therefore,the dissipation of spin current in the graphene material is weaker than the counterpart in typical metal when the injected current is identical.In this paper,the switching characteristics of all spin logic device comprised of graphene interconnects are analyzed by using the coupled spin transport and magneto-dynamics model.The results show that comparing with ASL device comprised of copper interconnects,the magnetic moment reversal time of ASL with graphene interconnection is short and the spin current fl ows into the output magnet is large under the condition of same applied voltage and device size.Meanwhile,the switching delay and the energy dissipation are lower when the interconnects are shorter and narrower.When the critical switching current which is required for the magnetization reversal is applied,the reliable working length of graphene interconnection is signi fi cantly longer than that of copper interconnection.So the graphene is the more ideal interconnect material than metal material.Moreover,the switching delay and power dissipation could be further reduced by properly selecting the interconnection dimension.These results mentioned above provide guidelines for the optimization and applications of ASL devices.

all spin logic device,graphene,interconnection dimension,switching characteristics

(2017年5月13日收到;2017年7月10日收到修改稿)

10.7498/aps.66.208501

?國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):11405270)和陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃(批準(zhǔn)號(hào):2017JM6072,2014JQ8343)資助的課題.

?通信作者.E-mail:qianglicai@163.com

?2017中國(guó)物理學(xué)會(huì)Chinese Physical Society

http://wulixb.iphy.ac.cn

PACS:85.75.–d,75.78.–nDOI:10.7498/aps.66.208501

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No.11405270)and the Program of Shaanxi Provincial Natural Science for Basic Research,China(Grant Nos.2017JM6072,2014JQ8343).

?Corresponding author.E-mail:qianglicai@163.com