日本科研团队介绍具有五种逻辑门状态的有机双栅极反双晶体管

在 2022 年 2 月 10 日发表于《先进材料》期刊上的一篇文章中，日本国立材料研究所（NIMS）和东京理科大学的研究人员，详细介绍了其成功开发的新型“有机反双极”晶体管。 据悉，这种轻量级晶体管能够通过调节执行五种逻辑门（AND、OR、NAND、NOR、XOR）操作中的任何一种双栅极的输入电压，而适用于开发“电可重构”型逻辑电路。

研究配图 - 1：器件结构 / 光学显微图像

SCI Tech Daily 指出：随着物联网（IoT）走入寻常千万家，边缘计算设备的数据处理量也迎来了激增。

这意味着芯片行业需要更加轻量级、高性能的移动数据处理设备，而得益于能够使用单个晶体管来构建多个逻辑电路，未来我们或开发出基于有机双反极晶体管的高性能移动设备。

研究配图 - 2：底部曲线 / 顶部依赖性 / 映射函数

遗憾的是，由于和现有的微加工技术不兼容，此类集成电路的密度一直很低。为了攻克这方面的难题，日本研究团队开发出了一种有机双栅极反双极晶体管。

通过独特的设计，其能够在栅极电压超过某个阈值时降低其漏极电流，从而实现双输入逻辑栅极的操作。

研究配图 - 3：双输入电压函数的 2D-ID 映射

在将电压施加到晶体管的顶栅和底栅时，它会产生一个输出信号（即漏极电流）。而当调整输入电压时，该晶体管又会在室温下表现出具有五种不同类型的双输入逻辑门的能力。

研究配图 - 4：具有不同 VD值的底部曲线 / 双输入函数的 2D-ID 映射电压

据悉，现有集成电路技术需要用到 4 个晶体管，才能组成一个“或非”（NAND）电路。此外需要 12 个晶体管，才能组成一个“异或”（XOR）电路。而新颖的“有机反双极”（organic anti-ambipolar）晶体管

研究配图 - 5：紫色 / 白色区域，分别指代 -7.5 nA 以上 / 以下电流。

正因如此，这种具有电可重构有机逻辑门的双栅极反双极晶体管，才被许多人视作提升电路集成密度的一个关键。即便在有机电子学领域，这本身也是一项重大的挑战。

（传送门：Advanced Materials）

展望未来，日本国立材料研究所和东京理科大学研究团队还计划利用这种新型晶体管，来开发电可重构集成电路。不过在正式推向市场之前，我们仍有很长一段路要走。

在单个纳米轨道中实现和重新配置基于磁天体的逻辑门

（a） 具有不同拓扑电荷和螺旋数的Néel型磁天体的插图。（b） 基于Skyrmions的单纳米轨道逻辑器件，两端各有两个输入，中间有一个输出。图片来源：中国科学出版社

在一个单一的纳米轨道上，一个研究小组通过DMI的局部反转以及能量屏障对天体的固定效应，实现了两个具有相反手性的Skyrmion的湮灭，融合和分流。

本研究由杨红新教授（中国科学院宁波材料技术与工程研究所）和余东兴博士（中国科学院宁波材料技术与工程研究所）领导。第一性原理计算由杨红新教授进行，磁天体动力学的微磁模拟由余东兴进行。

“磁性天体的这些动力学行为对于基于磁天体的自旋电子器件（如逻辑门，晶体管，互补赛道存储器等）的设计非常可行，”杨红新教授说。随着手性多铁性材料的增加和DMI手性切换机制的出现，基于磁天体的逻辑门有望简化为一个单一的纳米轨道，实现布尔逻辑门的完全重构。

余东兴博士、杨红新教授、Mairbek Chshiev教授与诺贝尔物理学奖获得者Albert Fert教授一起，探讨了逻辑门的重建与磁天体动力学之间的联系。通过局部控制DMI手性，该团队重建了非易失性能量势垒，以切换各种磁天体动态现象，从而实现和重新配置逻辑功能，包括AND，OR，NOT，NAND，NOR，XOR和XNOR。

通过分别将开关（a）切换到空闲，（b）到1和（c）到2来对可重构纳米轨道进行异或/或/NAND操作。XNOR/NOR/AND功能可以通过切换磁隧道结（output-MTJ）中固定层的磁化，从上述逻辑门转换而来，只有一半的NAND栅极可用于实现NOT栅极。图片来源：中国科学出版社

“这些功能或操作中的任何两个都可以通过在单个纳米轨道中使用电压控制来切换DMI的手性，轻松地从一个功能或操作转换为另一个，并且Skyrmions可以在每次操作后回收，”余东兴说。基于非易失性能量势垒的引脚和去引脚功能，该团队还模拟了skyrmion晶体管和skyrmion位复位的“开”和“关”状态。“这将是通过操纵拓扑学上不平凡的磁性结构（如磁性天体）来构建自旋电子器件的有益探索，”杨说。

与其他需要组合多个条带或一连串简单功能来执行两个或多个逻辑操作的可重构逻辑门相比，本研究通过微磁仿真实现了将七种逻辑功能实现和重新配置为一个单一的纳米轨道，从而进一步简化了基于自旋的逻辑器件的设计，并促进了基于磁天体的逻辑门的潜在应用。 在信息处理领域。

该研究发表在《国家科学评论》上。

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