Forskere rapporterer gennembrud for memresistor -materialesammensætning

Forskere rundt om i verden arbejder intensivt på memristive -enheder, der trækker ekstremt lav effekt og opfører sig på samme måde som neuroner i hjernen. Forskere fra Jülich Aachen Research Alliance (JARA) og den tyske teknologikoncern Heraeus rapporterer nu om systematisk kontrol af disse elementers funktionelle adfærd. De mindste forskelle i materialesammensætning viste sig at være afgørende, så lille, at indtil nu, eksperter havde undladt at lægge mærke til dem. Forskernes designretninger kan bidrage til at øge variationen, effektivitet, selektivitet og pålidelighed til memristive teknologi-baserede applikationer, for eksempel, energieffektiv, ikke-flygtige lagerenheder eller neuro-inspirerede computere.

Det japanske selskab NEC installerede de første memresistive prototyper i rumsatellitter tilbage i 2017. Mange andre førende virksomheder som Hewlett Packard, Intel, IBM og Samsung arbejder på at bringe innovative typer af computere og lagerenheder baseret på memristive elementer på markedet.

Grundlæggende, memristorer er simpelthen "modstande med hukommelse, "hvor høj modstand kan skiftes til lav modstand og tilbage igen. Dette betyder i princippet, at enhederne er adaptive, ligner en synapse i et biologisk nervesystem. "Memristive elementer betragtes som ideelle kandidater til neuro-inspirerede computere modelleret på hjernen, som tiltrækker stor interesse i forbindelse med dyb læring og kunstig intelligens, "siger Dr. Ilia Valov fra Peter Grünberg Institute (PGI-7) på Forschungszentrum Jülich.

I det seneste nummer af open access journal Videnskabelige fremskridt, han og hans team beskriver, hvordan skifte og neuromorfe adfærd for memristive elementer selektivt kan kontrolleres. Ifølge deres resultater, den afgørende faktor er renheden af ​​det skiftende oxidlag. "Afhængigt af om du bruger et materiale, der er 99,9999999 % rent, og om du introducerer et fremmed atom i 10 millioner atomer af rent materiale, eller i 100 atomer, egenskaberne af de memristive elementer varierer betydeligt, «siger Valov.

Denne effekt var hidtil blevet overset af eksperter. Det kan bruges meget specifikt til at designe memristive systemer, på lignende måde som doping halvledere inden for informationsteknologi. "Indførelsen af ​​fremmede atomer giver os mulighed for at kontrollere opløseligheden og transportegenskaberne af de tynde oxidlag, "forklarer Dr. Christian Neumann fra teknologigruppen Heraeus. Han har bidraget med sin materialekundskab til projektet lige siden den første idé blev udtænkt i 2015.

"I de seneste år, der har været bemærkelsesværdige fremskridt i udviklingen og brugen af ​​memristive enheder, at fremskridt ofte er opnået på et rent empirisk grundlag, "ifølge Valov. Ved hjælp af den indsigt, som hans team har opnået, producenter kunne nu metodisk udvikle memristive elementer ved at vælge de funktioner, de har brug for. Jo højere dopingkoncentration, jo langsommere elementernes modstand ændres, når antallet af indgående spændingsimpulser stiger og falder, og jo mere stabil modstanden forbliver. "Det betyder, at vi har fundet en måde at designe typer af kunstige synapser med forskellig spænding, «siger Valov.

Designspecifikation for kunstige synapser

Hjernens evne til at lære og fastholde information kan i høj grad tilskrives det faktum, at forbindelserne mellem neuroner styrkes, når de ofte bruges. Memristive enheder, hvoraf der er forskellige typer, såsom elektrokemiske metalliseringsceller (ECM'er) eller valensændringshukommelsesceller (VCM'er), opføre sig på samme måde. Når disse komponenter bruges, ledningsevnen stiger, når antallet af indgående spændingsimpulser stiger. Ændringerne kan også vendes ved at anvende spændingsimpulser med den modsatte polaritet.

JARA -forskerne gennemførte deres systematiske eksperimenter på ECM'er, som består af en kobberelektrode, en platinelektrode og et lag siliciumdioxid imellem dem. Takket være samarbejdet med Heraeus -forskere, JARA -forskerne havde adgang til forskellige typer siliciumdioxid:en med en renhed på 99,999999% - også kaldet 8N siliciumdioxid - og andre indeholdende 100 til 10, 000 ppm (dele pr. Million) udenlandske atomer. Det præcist dopede glas, der blev brugt i deres eksperimenter, blev specielt udviklet og fremstillet af kvartsglasspecialisten Heraeus Conamic, som også har patent på proceduren. Kobber og protoner fungerede som mobile dopingmidler, mens aluminium og gallium blev brugt som ikke-flygtig doping.

Rekordskiftetid bekræfter teori

Baseret på deres række eksperimenter, forskerne var i stand til at vise, at ECM -skiftetiderne ændres, efterhånden som mængden af ​​dopingatomer ændres. Hvis koblingslaget er fremstillet af 8N siliciumdioxid, memristive -komponenten skifter kun på 1,4 nanosekunder. Til dato, den hurtigste værdi nogensinde målt for ECM'er havde været omkring 10 nanosekunder. Ved doping af komponenternes oxidlag med op til 10, 000 ppm udenlandske atomer, skiftetiden blev forlænget i intervallet millisekunder.

"Vi kan også teoretisk forklare vores resultater. Dette hjælper os med at forstå de fysisk-kemiske processer på nanoskalaen og anvende denne viden i praksis, "siger Valov. Baseret på generelt anvendelige teoretiske overvejelser og understøttet af eksperimentelle resultater, han er overbevist om, at doping/urenhedseffekten forekommer og kan bruges i alle typer memristive elementer.