發(fā)布時間：2020-11-09 13:21

　　 信息技術的發(fā)展要求計算機具有更高的信息存儲和處理能力,而隨著半導體工藝已經(jīng)逼近物理極限,摩爾定律已經(jīng)逐漸失效。在這種情況下,人們急需開發(fā)具有全新原理的新一代信息功能器件,滿足未來信息技術對于高密度、低能耗、非易失性等方面的要求�，F(xiàn)代計算機普遍采用運算器和存儲器分離的馮·諾依曼架構,數(shù)據(jù)在運算器和存儲器之間的傳輸成為限制計算機性能的瓶頸(稱為馮·諾依曼瓶頸)。因此,為突破現(xiàn)有計算機的發(fā)展瓶頸,一種將運算器與存儲器結(jié)合(logic in memory)的非馮·諾依曼架構被提出來,這其中發(fā)展具有存儲能力的非易失性邏輯器件成為關鍵問題。此外,人類大腦具有低功率、高效率的特點,受此啟發(fā),發(fā)展人工神經(jīng)突觸器件和類神經(jīng)網(wǎng)絡,將對實現(xiàn)類腦計算技術具有重要的意義。在本論文中,我們在一種基于磁電耦合效應的新器件——憶耦器——的基礎上,來探究其在非易失性存儲器、布爾邏輯器件及類神經(jīng)突觸器件中的應用。主要研究成果如下:1.研究了基于憶耦器的非易失性存儲器。制備了憶耦器PMN-PT/TerfenolD,并研究了外磁場和電極化方向?qū)涶钇鞔烹婑詈舷禂?shù)的調(diào)控。發(fā)現(xiàn)當外磁場不變時,翻轉(zhuǎn)憶耦器電極化的方向,其磁電耦合系數(shù)發(fā)生反號,并且磁電耦合系數(shù)能夠長時間的保持。對憶耦器反復施加正負電壓脈沖,憶耦器的磁電耦合系數(shù)也隨之反復變化。此外,當我們通過施加合適的電壓脈沖時,可以將憶耦器的電極化部分翻轉(zhuǎn),此時,其磁電耦合系數(shù)也處于中間某一狀態(tài),并且該狀態(tài)也能長時間保持。最終,通過選擇合適的電場在憶耦器中實現(xiàn)了4態(tài)和8態(tài)的連續(xù)變化,從而實現(xiàn)了基于憶耦器的非易失性存儲器和非易失性的多態(tài)存儲。2.研究了基于憶耦器的布爾邏輯器件。制備了憶耦器Ni/PMN-PT/Ni,并通過選擇合適的邏輯運算操控方法,實現(xiàn)了兩個通用邏輯門——NAND和NOR。此外,制備了憶耦器FeGa/PMN-PT/FeGa,并通過控制憶耦器的初始值、器件兩端的電場和讀取信號的相位等四個變量,在單個憶耦器中實現(xiàn)了所有16個布爾邏輯的運算。3.研究了基于憶耦器的類神經(jīng)突觸器件。在憶耦器Ni/PMN-PT/Ni中,通過施加連續(xù)的脈沖電壓,實現(xiàn)了突觸可塑性中的長程增強和長程抑制過程,并且采用特殊設計的電壓脈沖序列,在憶耦器中實現(xiàn)了脈沖時間依賴的可塑性(STDP)�；谏鲜鼋Y(jié)果,我們模擬了憶耦器陣列來驗證基于憶耦器的神經(jīng)網(wǎng)絡的學習行為。
【學位單位】：中國科學院大學(中國科學院物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TN60;TP333
【部分圖文】：

高密度、低能耗信息功能器件成為未來信息技出的一種基于非線性磁電耦合效應的記憶元件應用潛力�；趹涶钇髟O計開發(fā)新型信息功能器述了憶阻器和憶耦器概念的提出、復合多鐵性材器件的研究進展。在此基礎上，對本文的選題思出中，電荷（q）、電流（i）、電壓（v）和磁通們之間的線性關系分別定義了電阻（R）、電感圖 1.1 所示。對應的兩端無源電子器件分別為電r）和電容器（capacitor），被稱為基本電路元

路元件的完整關系圖，直線代表線性關系定義的電路元件，曲線元件。[1]omplete relational graph of fundamental two-terminal circuit elem the circuit elements defined by the linear relationship, and the curts defined by the nonlinear relationship.[1]基本對稱性的考慮，居里首先在 1894 年預言了磁電耦23]在 1926 年首先提出了磁電（magnetoelectric）的概念理，磁電耦合效應一直沒有得到重視。直到 2003 年，在 BiFeO3薄膜中發(fā)現(xiàn)了大的室溫電極化[24]并在 TbMn應。由于其在實際應用中的巨大潛力，多鐵性材料和磁泛的重視和研究[26, 27]。我們可以使用一塊磁電耦合介明治結(jié)構，如圖 1.4 所示，并在其中實現(xiàn)了縱向和橫向

圖 1.5 四種線性基本電路元件的線性關系，（a）i-v，（b）v-q，（c）i-φ，（d）q-φ 的線性關系分別定義了電阻、電容、電感和電耦。[1]Fig. 1.5 The linear behaviors of four fundamental circuit elements, the linear relationships of (a) i-v, (b) v-q, (c) i-φ and (d) q-φ define the resistance, capacitance, inductance and transtance.[1]因為憶耦器是由磁電介質(zhì)制備的一類電路器件，所以它很容易被識別：（1）和其他三個電路器件（電阻器、電容器、電感器）一樣，它是一種獨立的被動線性和時間不變器件，因此滿足線性和時間不變的系統(tǒng)理論[29]。對于憶阻器來說，這是不適用的。（2）在磁電介質(zhì)中，α 可以是正值也可以是負值，這與電阻、電容和電感有顯著的不同。后三者一直為正值，因此如圖 1.5 所示，兩個基本電路變量之間的線性關系定義了電阻、電容和電感，并且其線性斜率一直為正值。而對于電耦（T）來說，其 q-φ 之間的線性斜率可以為正值或者負值（如圖 1.5（d）所示）。這是 T 中時間反演對稱性破缺的結(jié)果。（3）在磁電介質(zhì)中，電耦器只有在 α2=ε0εrμ0μr時才完全可逆[30]。
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本文編號：2876493