一种氧化铋薄膜制备方法及可重构光电逻辑门
1.本发明涉及集成电路和处理器技术领域，具体涉及一种氧化铋薄膜制备方法及基于氧化铋开路光电压随光强非单调变化的可重构光电逻辑门。
背景技术：
2.传统的基于互补金属氧化物半导体(cmos)逻辑计算器件在过去几十年中遵循着摩尔定律，不断缩小尺寸来增加晶体管的数量，以满足日益增加的数据处理的需求。预计在第四次工业革命时代和物联网时代，数据量将会爆炸式增长，甚至超出摩尔定律的允许范围，传统的cmos逻辑计算器件在计算海量数据集方面将会面临严重的限制。与缩小器件尺寸和三维集成相比，开发可重构的新型逻辑门是一个非常有潜力的方向。
3.光电逻辑门可用于准确和快速的数据处理，受到广泛关注。尤其是可重构的光电逻辑门，可以通过编程在单一器件上实现不同逻辑门的灵活转换，使其能够以更少的部件实现更加复杂的数据操作和计算。目前，已经有能够实现与门、或门、非门等基础逻辑门转换的可重构光电逻辑门被报道。然而，能够实现异或操作的可重构光电逻辑门却鲜有报道。
4.异或逻辑门不仅是位模式识别、数据加密、奇偶校验和信号再生等数据处理功能的重要组成部分，也是分组交换网络中用于同步、擦除和替换的基本工具。实现光电异或门操作的难点在于其兼顾了输入(0,0)时输出为0和输入(1,0)时输出1，就难以兼顾输入(1,1) 时输出0，这本质上是一种非单调的变化。目前的光电逻辑门器件，其输出均随输入光强单调变化，因此无法实现异或门操作。一些报道中，利用不同方向的光电流实现异或门操作，但是却需要额外的通过判断光电流绝对值来判断输出结果，增加了逻辑判断的复杂性。此外，在一定光强下，光电流随器件尺寸增大而升高，因此基于光电流信号的逻辑门对器件加工精度要求非常高。
技术实现要素：
5.本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种氧化铋薄膜制备方法及基于氧化铋开路光电压随光强非单调变化的可重构光电逻辑门，并利用氧化铋的这种独有的特性设计并制造了一种可重构光电逻辑门。通过调节输入光强，在不改变阈值条件的情况下，利用单一器件即可实现异或门、与门、与非门、或门、或非门、非门、禁止门等多种逻辑门的可编程重构。
6.为实现上述目的，本发明的技术方案是：
7.第一方面，本发明提供一种氧化铋薄膜制备方法，所述方法包括以下步骤：
8.(1)将铋沉积在导电基底上获得铋薄膜，使用铋金属作为靶材，溅射功率控制为20-80w，沉积时间控制为15-900s，基底旋转速度为0-25r/min，基底温度控制为300-620k，溅射压力控制为0.7-3.5pa，溅射过程中通入氩气作为载气，其流量控制为5-60ml/min；
9.(2)将步骤(1)制备的铋薄膜进一步在空气中煅烧获得氧化铋薄膜。
10.优选地，在所述步骤(1)中，采用磁控溅射法将铋沉积在导电基底上获得铋薄膜。
11.优选地，在所述步骤(2)中，，煅烧的温度控制为450-720k，煅烧在加热台、高温烘箱、管式加热炉中的任意一种中进行。
12.第二方面，本发明提供一种基于氧化铋开路光电压随光强非单调变化的可重构光电逻辑门，包括工作电极，所述工作电极为沉积在导电基底上的氧化铋薄膜，所述氧化铋薄膜由上述的制备方法制备而成。
13.优选地，所述的基于氧化铋开路光电压随光强非单调变化的可重构光电逻辑门还包括输入光源、调制器、对电极、电解液以及电解池；所述输入光源包括第一输入光源、第二输入光源；
14.所述输入光源、调制器用于发射出光，以作为输入光照射在所述工作电极的同一位置上；
15.所述工作电极固定在所述电解池内部，所述电解池作为所述电解液的容器；
16.所述对电极固定在所述电解池内部，其不会阻挡所述输入光源、调制器所发射出的光。
17.优选地，所述导电基底为不锈钢、铜片、铝片、氧化铟锡玻璃、导电硅片、氟掺杂的氧化锡玻璃中的一种。
18.优选地，所述对电极为铂片、铜片、银/氯化银电极、甘汞电极中的一种。
19.优选地，所述输入光源波长为365-450nm，光强为0.01-25mw/cm2。
20.第三方面，本发明提供一种可重构光电逻辑门的装配方法，所述方法基于上述的可重构光电逻辑门，所述方法包括如下步骤：
21.将石英玻璃作为光输入窗口；
22.将工作电极固定在电解池内部，与石英玻璃窗口相对，确保输入光能够照射到工作电极；
23.将对电极固定在电解池内部，并确保其不会阻挡输入光的光路；
24.将三个光源分别固定，分别作为第一输入光源、第二输入光源和调制器，并调整光路，使第一输入光源、第二输入光源和调制器照射在工作电极的同一个位置上。
25.第四方面，本发明提供一种用于实现可重构光电逻辑门逻辑计算的方法，所述可重构光电逻辑门由上述的装配方法装配而成，所述方法包括如下步骤：
26.在电解池中注入电解液，控制第一输入光源、第二输入光源和调制器的开关和光强，将第一输入光源和第二输入光源的开记为1，关记为0；
27.利用电压表检测工作电极和对电极两端的开路电压变化，将开路电压大于阈值判断为1，小于阈值判断为0；
28.通过调节第一输入光源、第二输入光源和调制器的光强，在不改变阈值的情况下，在单一器件上，实现异或门、多输入异或门、与门、与非门、或门、或非门、非门、禁止门的任意重构。
29.本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
30.通过采用本发明所提供的氧化铋薄膜制备方法制备而成的氧化铋薄膜首次发现了开路光电压随光强非单调变化的现象，并利用氧化铋的这种独有的特性设计并制造了一种可重构光电逻辑门；该可重构光电逻辑门通过调节输入光强，在不改变阈值条件的情况下，利用单一器件即可实现异或门、与门、与非门、或门、或非门、非门、禁止门等多种逻辑门
的可编程重构。
31.另外，所采用的磁控溅射镀膜技术来制备氧化铋薄膜易于实现器件的大规模低成本生产。
附图说明
32.图1为本发明实施例提供的基于氧化铋开路光电压随光强非单调变化的可重构光电逻辑门示意图；
33.图2为本发明实施例提供的基于氧化铋开路光电压随光强非单调变化的可重构光电逻辑门开路电压随光强变化的曲线图；
34.图3为异或门的信号输出；
35.图4为三输入异或门的信号输出；
36.图5为与门的信号输出；
37.图6为与非门的信号输出；
38.图7为或门的信号输出；
39.图8为或非门的信号输出；
40.图9为禁止门的信号输出。
具体实施方式
41.下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
42.实施例1
43.参阅图1所示，本实施例所提供的基于氧化铋开路光电压随光强非单调变化的可重构光电逻辑门主要包括输入光源、调制器3、工作电极4、对电极5、电解液以及电解池；该输入光源包括第一输入光源1和第二输入光源2
44.该输入光源、调制器3用于发射出光，以作为输入光照射在所述工作电极的同一位置上；该工作电极固定在所述电解池内部，所述电解池作为所述电解液的容器；该对电极固定在所述电解池内部，其不会阻挡所述输入光源、调制器所发射出的光。
45.具体地，该输入光源、调制器波长为405nm，工作电极为沉积在不锈钢基底上的氧化铋，对电极为银/氯化银电极。当然，该输入光源、调制器波长为365-450nm，光强为0.01-25mw/cm2范围内即可。
46.工作电极的制备包括以下步骤：
47.(1)采用磁控溅射法将铋沉积在不锈钢基底上获得铋薄膜，使用铋金属作为靶材，溅射功率控制为40w，沉积时间控制为120s，基底旋转速度为20r/min，基底温度控制为370k(开氏温度)，溅射压力控制为1.0pa，溅射过程中通入氩气作为载气，其流量控制为30ml/min；
48.(2)将步骤(1)制备的铋薄膜进一步在空气中煅烧获得氧化铋薄膜，煅烧的温度控制为620k，煅烧在加热台上进行。
49.实施例2
50.参考实施例1，不同之处在于工作电极的制备。
51.工作电极的制备包括以下步骤：
535mv记为1，小于535mv记为0。异或门的信号输出和真值表如图3所示，两者一致，说明了异或门的成功构建。
72.2、实现多输入异或门
73.通过调节输入光强和调制器光强，对逻辑门进行重构，实现多输入异或门。
74.目前的多输入异或门并非真正的“同0，异1”，崔建国等人利用传统电子逻辑电路设计了一种多输入的异或门，实现了真正的“同0，异1”，但是其结构非常复杂，且不具有可重构性，这些都限制了其实际应用。本专利中通过调节输入光强和调制器光强，即可利用单一器件，实现真正的“同0，异1”的多输入异或门。
75.以三输入异或门为例，具体为，设置调制器的光强为0.11mw/cm2，第一输入光源的光强为3.83mw/cm2，第二输入光源的光强为3.83mw/cm2，输入3的光强为3.83mw/cm2。记输入光打开为1，关闭为0。记输出阈值为535mv，即输出开路光电压大于535mv记为1，小于535mv记为0。三输入异或门的信号输出和真值表如图4所示，两者一致，说明了三输入异或门的成功构建。对于四输入异或门，只需改变第一输入光源-4的光强均为2.61mw/cm2 即可，对于五输入异或门，只需改变第一输入光源-5的光强均为2.09mw/cm2即可。
76.3、实现与门
77.通过调节输入光强和调制器光强，对逻辑门进行重构，实现与门。
78.具体为，设置调制器的光强为0.11mw/cm2，第一输入光源的光强为0.13mw/cm2，第二输入光源的光强为0.13mw/cm2。记输入光打开为1，关闭为0。记输出阈值为535mv，即输出开路光电压大于535mv记为1，小于535mv记为0。与门的信号输出和真值表如图5所示，两者一致，说明了与门成功构建。
79.4、实现与非门
80.通过调节输入光强和调制器光强，对逻辑门进行重构，实现与非门。
81.具体为，设置调制器的光强为0.99mw/cm2，第一输入光源的光强为5.21mw/cm2，第二输入光源的光强为5.21mw/cm2。记输入光打开为1，关闭为0。记输出阈值为535mv，即输出开路光电压大于535mv记为1，小于535mv记为0。与非门的信号输出和真值表如图6 所示，两者一致，说明了与非门成功构建。
82.5、实现或门
83.通过调节输入光强和调制器光强，对逻辑门进行重构，实现或门。
84.具体为，设置调制器的光强为0.11mw/cm2，第一输入光源的光强为0.51mw/cm2，第二输入光源的光强为0.51mw/cm2。记输入光打开为1，关闭为0。记输出阈值为535mv，即输出开路光电压大于535mv记为1，小于535mv记为0。或门的信号输出和真值表如图7所示，两者一致，说明了或门成功构建。
85.6、实现或非门和非门
86.通过调节输入光强和调制器光强，对逻辑门进行重构，实现或非门和非门。
87.具体为，设置调制器的光强为0.99mw/cm2，第一输入光源的光强为10.45mw/cm2，第二输入光源的光强为10.45mw/cm2。记输入光打开为1，关闭为0。记输出阈值为535mv，即输出开路光电压大于535mv记为1，小于535mv记为0。或非门的信号输出和真值表如图 8所示，两者一致，说明了或非门成功构建。只要将或非门的双输入改为单输入，即可得到非门。
88.7、实现或非门和非门
89.通过调节输入光强和调制器光强，对逻辑门进行重构，实现禁止门。
90.具体为，设置调制器的光强为0.11mw/cm2，第一输入光源的光强为0.51mw/cm2，第二输入光源的光强为11.31mw/cm2。记输入光打开为1，关闭为0。记输出阈值为535mv，即输出开路光电压大于535mv记为1，小于535mv记为0。禁止门的信号输出和真值表如图9 所示，两者一致，说明了禁止门成功构建。
91.综上，本发明开发了一种基于氧化铋开路光电压随光强非单调变化的可重构光电逻辑门。通过调节输入光强，在不改变阈值条件的情况下，利用单一器件即可实现异或门、与门、与非门、或门、或非门、非门、禁止门等多种逻辑门的可编程重构。因开路电压与器件尺寸无关，是光电材料的本征特性，因此基于本发明开路电压信号的光电逻辑门信号不随器件尺寸变化，这极大的降低了器件加工精度要求，有望大幅降低器件加工成本。相比于传统的电子逻辑门，本发明提出光电逻辑门因其灵活、多样的可编程重构特性，有望以更少的部件实现更加复杂的操作和计算，在即将到来的信息爆炸式增长的物联网时代展现出巨大的应用前景。
92.上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
技术特征：
1.一种氧化铋薄膜制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)将铋沉积在导电基底上获得铋薄膜，使用铋金属作为靶材，溅射功率控制为20-80w，沉积时间控制为15-900s，基底旋转速度为0-25r/min，基底温度控制为300-620k，溅射压力控制为0.7-3.5pa，溅射过程中通入氩气作为载气，其流量控制为5-60ml/min；(2)将步骤(1)制备的铋薄膜进一步在空气中煅烧获得氧化铋薄膜。2.如权利要求1所述的氧化铋薄膜制备方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，采用磁控溅射法将铋沉积在导电基底上获得铋薄膜。3.如权利要求1所述的氧化铋薄膜制备方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，煅烧的温度控制为450-720k，煅烧在加热台、高温烘箱、管式加热炉中的任意一种中进行。4.一种基于氧化铋开路光电压随光强非单调变化的可重构光电逻辑门，其特征在于，包括工作电极，所述工作电极为沉积在导电基底上的氧化铋薄膜，所述氧化铋薄膜由权利要求1-3任一所述的制备方法制备而成。5.如权利要求4所述的基于氧化铋开路光电压随光强非单调变化的可重构光电逻辑门，其特征在于，还包括输入光源、调制器、对电极、电解液以及电解池；所述输入光源包括第一输入光源、第二输入光源；所述输入光源、调制器用于发射出光，以作为输入光照射在所述工作电极的同一位置上；所述工作电极固定在所述电解池内部，所述电解池作为所述电解液的容器；所述对电极固定在所述电解池内部，其不会阻挡所述输入光源、调制器所发射出的光。6.如权利要求5所述的基于氧化铋开路光电压随光强非单调变化的可重构光电逻辑门，其特征在于，所述导电基底为不锈钢、铜片、铝片、氧化铟锡玻璃、导电硅片、氟掺杂的氧化锡玻璃中的一种。7.如权利要求5所述的基于氧化铋开路光电压随光强非单调变化的可重构光电逻辑门，其特征在于，所述对电极为铂片、铜片、银/氯化银电极、甘汞电极中的一种。8.如权利要求5所述的基于氧化铋开路光电压随光强非单调变化的可重构光电逻辑门，其特征在于，所述输入光源波长为365-450nm，光强为0.01-25mw/cm2。9.一种可重构光电逻辑门的装配方法，所述方法基于权利要求5所述的可重构光电逻辑门，其特征在于，所述方法包括如下步骤：将石英玻璃作为光输入窗口；将工作电极固定在电解池内部，与石英玻璃窗口相对，确保输入光能够照射到工作电极；将对电极固定在电解池内部，并确保其不会阻挡输入光的光路；将三个光源分别固定，分别作为第一输入光源、第二输入光源和调制器，并调整光路，使第一输入光源、第二输入光源和调制器照射在工作电极的同一个位置上。10.一种用于实现可重构光电逻辑门逻辑计算的方法，所述可重构光电逻辑门由权利要求9所述的装配方法装配而成，其特征在于，所述方法包括如下步骤：在电解池中注入电解液，控制第一输入光源、第二输入光源和调制器的开关和光强，将第一输入光源和第二输入光源的开记为1，关记为0；利用电压表检测工作电极和对电极两端的开路电压变化，将开路电压大于阈值判断为
1，小于阈值判断为0；通过调节第一输入光源、第二输入光源和调制器的光强，在不改变阈值的情况下，在单一器件上，实现异或门、多输入异或门、与门、与非门、或门、或非门、非门、禁止门的任意重构。
技术总结
本发明公开了一种氧化铋薄膜制备方法及可重构光电逻辑门，本发明首次发现了开路光电压随光强非单调变化的现象，并利用氧化铋的这种独有的特性设计并制造了一种可重构光电逻辑门。因光电压信号不随器件尺寸变化(传统光电流信号随器件尺寸变化)，降低了对器件加工精度的要求，有望大幅降低器件加工成本。通过调节输入光强，在不改变阈值条件的情况下，利用单一器件即可实现异或门、与门、与非门、或门、或非门、非门、禁止门等多种逻辑门的可编程重构。相比于传统的电子逻辑门，本发明提出光电逻辑门因其灵活、多样的可编程重构特性，能够以更少的部件实现更加复杂的操作和计算，有望在即将到来的信息爆炸式增长的物联网时代发挥重要的作用。发挥重要的作用。发挥重要的作用。
