本课题来源于国家自然科学基金面上项目"量子元胞自动机电路可靠性和耦合功能阵列实现研究"（No.61172043）、陕西省自然科学基础研究计划重点项目"纳电子器件功能阵列的关键技术及应用研究"（No.2011JZ015）、国家自然科学基金青年项目"特殊形状纳磁体逻辑器件的转换机理及功能结构研究"（No.61302022）的资助。

国际半导体技术路线图的研究报告表明，纳电子器件具有体积小、超低功耗、高速和超高集成度等优点，是解决CMOS发展问题的一种必然趋势。量子元胞自动机（Quantum-dot Cellular Automata, QCA）作为一种典型的新型纳电子器件，不再是通过电压和电流来表示信息，而是通过场相互作用来处理二进制信息和携带模拟信息，由它构成的集成电路最主要的优点是具有超高集成度、极低功耗和无引线集成。在无线集成电路、抗辐射电子系统、量子计算、自治传感器等领域具有广泛应用前景，因而引起了研究者们的广泛兴趣。虽然很多学者致力于QCA器件特性和电路设计的研究，但总体仍存在以下问题：

1.电性QCA器件存在孤立电荷、量子点移位和旋转等缺陷，而磁性QCA器件存在长线阵列不稳定和时钟偏移等现象。由于缺乏对于缺陷QCA的精确描述模型，目前大量研究工作关注于器件的物理机理和电路的设计，对QCA基本电路的缺陷分析和转换可靠性研究很少。

2.少数研究QCA 的存储器是利用线结构设计，但布线复杂，且MQCA器件具有天然非易失性特征，对于同时具备的逻辑功能和存储功能研究尚处于起步阶段。

3.QCA电路设计和其耦合功能阵列的可靠性研究还存在薄弱环节，缺乏对可靠性及其相互影响关系的分析方法和准则，阻碍了QCA的大规模制备的进程。

针对以上研究背景，本项目分别从量子元胞自动机（QCA）耦合功能阵列结构的特性和可靠性以及大规模阵列构建的角度来探索QCA电路的缺陷理论、设计、制备和可靠性问题。针对两种QCA器件（电性:EQCA和磁性:MQCA）开展系统性研究工作，并取得一系列重要研究成果，主要创新点有：

1. 创造性地将角度参数引入电性QCA（EQCA）可靠性研究领域，建立了EQCA器件的元胞旋转效应模型（IEEE Transactions on Nanotechnology, 2012, 11: 1009-1018），得出了不同电路结构的元胞可旋转范围和容错能力，为EQCA器件及电路的可靠应用和实验加工提供了重要的理论参数。

2. 提出了一种基于时间分路复用的多相位流水线时钟信号方案（IEEE Transactions on Electron Devices, 2014，61: 487-492），解决了多铁磁性QCA（MQCA）的平面信号线交叉问题。

3. 提出了驱动MQCA结构的三相位流水线时钟方案，找到了诱发MQCA电路结构工作不稳定性的纳磁体器件几何参数范围。建立了流水线MQCA结构的时钟误放模型（Microelectronics Journal, 2012, 43: 386-392），找到了导致时钟误放MQCA结构操作失败的原因。首次成功制备出了有利于实现大规模非对称耦合的MQCA拐角互连线功能结构（物理学报, 2012, 61: 097503）。该成果为空间抗辐射电路的制备和实现开辟了新的技术途径。

4. 基于双势垒磁性隧道结和片上时钟结构，提出了两种MQCA的数据读出接口电路（IET Circuits, Devices & Systems, 2014, 8: 65-72），给出两种抗辐射加固方法。此接口电路的优势在于：无需参考单元和外加时钟，即可实现磁电转换功能（Microelectronics Journal, 2015, 46: 20-26）。该成果实现了QCA与CMOS信号的交互转换。

5.  设计了新颖的EQCA加法器、数值比较器、不恢复余数除法器（Micro & Nano Letters, 2014, 9:464-467）等组合电路和模可变计数器时序电路。提出了一种EQCA分时多周期保持的时钟驱动方法，设计了EQCA动态并行存储单元（International Journal of Circuit Theory and Applications, 2012, 40: 93-103），该功能结构具有读写周期短、版图面积小、抗噪能力强等优点。

6. 提出了一种基于纳磁体的数字锁存电路（Electronics Letters. 2015, 51: 1800-1802）；构建了利用纳磁体逻辑器件形状实现MQCA信号反馈的理论（Journal of Computational and Theoretical Nanoscience, 2012, 9: 2260-2263）。该成果在QCA振荡器、计算处理电路、时序电路等领域具有重要的应用价值。

项目研究成果共发表论文50余篇，其中SCI收录28篇，EI收录30余篇。部分成果被欧美等国家和地区知名学者作为重要进展写入专著或综述论文。出版专著3部：(1)《量子元胞自动机》，科学出版社，2015年；(2)《纳电子器件及其应用》(第2版)，电子工业出版社，2015年；(3)《纳电子器件及其应用》，电子工业出版社，2009年（获空军工程大学优秀教材一等奖）。研究论文获陕西省自然科学优秀学术论文三等奖2项，西安市自然科学优秀学术论文奖1项，项目支持的博士学位论文获陕西省优秀博士学位论文奖1项，全军优秀博士学位论文提名奖1项，空军工程大学优秀博士学位论文奖3项和获空军工程大学优秀硕士学位论文奖3项。