27、高效节能内存与计算的纳米磁学和自旋电子器件：应变介导磁电存储与混合自旋应变电子学

高效节能内存与计算的纳米磁学和自旋电子器件：应变介导磁电存储与混合自旋应变电子学

第一部分：应变介导磁电存储相关技术概述

在当今的数字电子行业，提高芯片中计算设备的密度一直是一个重要的发展方向，摩尔定律生动地描绘了这一趋势，它预测芯片上晶体管的密度大约每两年会翻一番。但要在2020年之后持续保持这一趋势，就需要大幅降低切换晶体管以及翻转数字电路中二进制位时所消耗的能量。

传统的互补金属氧化物半导体（CMOS）晶体管通过将电荷移入或移出其有源区，在“导通”和“截止”状态之间切换，从而改变源极到漏极的电导。在非绝热过程中，此操作消耗的能量至少为NkTln(1/p) ，其中N是移入或移出设备的电子数量，k是玻尔兹曼常数，T是温度，p是由于热噪声导致设备错误切换的“位错误概率”。

相比之下，如果将逻辑位0和1编码在形状各向异性单畴纳米磁体（或多铁性纳米磁体的单畴磁致伸缩层）易轴的两个稳定磁化方向上，切换这些方向以翻转位时消耗的能量可能仅约为kTln(1/p)。这是因为单畴纳米磁体中的“信息载体”是电子自旋，它们的相互交换耦合确保在纳米磁体的磁化反转时同步旋转。所以，在相干磁化旋转和切换的极限情况下，切换所消耗的能量与电子数量无关。

在纳米磁学和自旋电子器件领域，驱动电压的降低具有显著优势。当等效电容处于飞法范围时，100 mV的驱动电压与700 mV的CMOS器件相比，能耗降低了50倍。目前，研究人员正致力于将这一概念进行小型化。然而，到目前为止，在亚微米范围内实现的应力或应变介导的器件还非常少。了解这种技术是否可行是必要的一步，这也将为理解在更小尺度上发生的多物理耦合提供有价值的工具。

当处理纳米级几何结构的材料时，会观察到多种尺度效应，这些效应