[发明专利]一种多功能自旋波晶体管及其制备方法和应用

说明书

一种多功能自旋波晶体管及其制备方法和应用，属于自旋波器件技术领域。所述多功能自旋波晶体管包括基片，形成于基片之上的磁性薄膜层，形成于磁性薄膜层之上的定向加热层，形成于磁性薄膜层之上、定向加热层两侧的微波天线；在定向加热层上、自旋波传输路径的垂直方向上施加热流，实现自旋波晶体管的自旋波移相功能、自旋波放大功能以及自旋波关断功能的调控。本发明通过定向加热层在自旋波传输路径的垂直方向上施加一定大小的热流，实现了自旋波晶体管的自旋波移相功能、自旋波放大功能以及自旋波关断功能的调控，与现代硅基半导体晶体管功能类似，实现了自旋波器件功能的集成化，大大加速了自旋波超低功耗集成电路的商用化进程。

技术领域

本发明属于自旋波器件技术领域，具体涉及一种基于热梯度调控的多功能自旋波晶体管及其制备方法和应用。

背景技术

自旋波器件是利用自旋波的振幅与相位这两个自由度构建的逻辑器件。自旋波振幅的大小作为信号的输入与输出，振幅较大时可以视为逻辑“1”，振幅较小时可以视为逻辑“0”，逻辑“1”与“0”分别对应于大于原幅值的三分之二以及小于原幅值的三分之一。自旋波的“波”属性赋予了区别于电荷电流的第二个自由度，即自旋波的相位，当两束相位相差180°的自旋波发生干涉时，彼此幅值相消，便能实现逻辑“1”至逻辑“0”的转变。值得一提的是，自旋波的波长短至纳米量级、频段高至太赫兹以及易受外场调控的这些特点，是声波与光波所不具备的，这也是为何自旋波器件被认为是实现“后摩尔时代”的重要途径之一。

实现节能且高效的外场调控是自旋波器件的重要研究方向，也是一直以来阻碍自旋波器件实际应用的困难之一。传统硅基半导体集成电路的成功建立在晶体管的发明之上，利用微量的电流控制相比之下大得多的电流，实现电荷电流的放大与关断。自旋波操纵已经被证明有多种方式，包括使用电场、奥斯特场、或热场，抑或使用电子或磁子流。例如，一些研究将热场或磁子流与布拉格散射过程结合起来，以反射一定频率的自旋波，并对特定波长的自旋波进行关断，这一调控方式限制自旋波的调控波长。另一些则通过电场或电流驱动磁各向异性畴的运动来控制自旋波衰减或相移，但这只能在高损耗金属或反铁磁波导中实现，这一调控方式限制了自旋波的长距离传输。到目前为止，还没有一种调控方式能在一个器件中实现自旋波三种功能：有效的相移，显著的放大以及完全截止。同时，如何实现全波长的自旋波的低损耗调控也是一个难题。

发明内容

本发明的目的在于，针对背景技术存在的缺陷，提出了一种多功能自旋波晶体管及其制备方法和应用。本发明多功能自旋波晶体管利用定向热梯度调控幅值与相位，实现了自旋波移相、放大与关断功能的集成化。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种多功能自旋波晶体管，包括基片，形成于基片之上的磁性薄膜层，形成于磁性薄膜层之上的定向加热层，形成于磁性薄膜层之上、定向加热层两侧的微波天线；在定向加热层上、自旋波传输路径的垂直方向上施加热流，实现自旋波晶体管的自旋波移相功能、自旋波放大功能以及自旋波关断功能的调控。

进一步的，所述自旋波移相功能是指对波的相位进行调整，自旋波放大功能是指将波的信号幅值进行放大，自旋波关断功能是指将波的信号幅值减弱至原幅值的三分之一以下。

进一步的，当定向加热层上施加温度梯度大于0且小于0.0184K/μm的热流时，利用磁性材料随温度升高饱和磁化强度下降的特点，实现自旋波移相功能；当定向加热层上施加温度梯度为0.0184～0.0643K/μm的热流时，温度梯度带来的磁振子力矩强度逐渐增加，并给自旋波施加正向自旋矩的作用，实现自旋波放大功能；当定向加热层上施加温度梯度大于0.1010K/μm的热流时，热磁子注入作为主要模式，实现了自旋波关断功能。