Simuleringer giver ny indsigt i nye nanoelektroniske enheder

Forskere har brugt en avanceret model til at simulere i hidtil uset detalje, hvordan "modstandsskiftende celler" fungerer, som kan erstatte konventionel hukommelse til elektronikapplikationer, med potentiale til at bringe hurtigere og højere kapacitet computerhukommelse og samtidig forbruger mindre energi.

Disse elektromekaniske "metalliseringsceller" skifter hurtigt fra høj modstand til lav modstand - en to-tilstands operation, der kunne bruges til at repræsentere dem og nuller i den binære kode, der er nødvendig for at udføre softwarekommandoer og gemme information i computere.

Forskere ved Purdue University udviklede en ny metode til at simulere de elektrokemiske processer, der styrer operationen med atomistiske detaljer. Forskerne brugte modellen til at simulere ydeevnen af ​​en type modstandsskiftende celler, også kaldet ledende broceller.

"På trods af deres betydning, de mekanismer, der styrer deres bemærkelsesværdige egenskaber, er blevet dårligt forstået, begrænse vores evne til at vurdere den ultimative ydeevne og potentiale for kommercialisering, " sagde Alejandro Strachan, en professor i materialeteknik ved Purdue. "Nu, en mekanistisk forståelse på atomniveau af omskiftningsprocessen giver nye retningslinjer for materialeoptimering."

De modstandsskiftende celler betragtes som en mulig erstatning for den nuværende ikke-flygtige hukommelse, som er ved at nå sine teknologiske grænser og også kunne bruges til logiske applikationer. De ledende broceller kan skifte i løbet af nanosekunder - hvilket gør dem potentielt i stand til ultrahurtig drift - og de er ekstremt små, giver muligvis mulighed for mere kompakt, kraftig computerhukommelse, sagde Strachan.

Resultaterne er detaljeret i et forskningspapir, der vises i denne uge i tidsskriftet Naturmaterialer . Artiklen er forfattet af Purdue postdoc-forsker Nicolas Onofrio, kandidatstuderende David Guzman og Strachan.

Enhederne indeholder to metalliske elektroder adskilt af et dielektrikum, eller isoleringsmateriale. Når en spænding påføres, den aktive elektrode - lavet af kobber i dette tilfælde - opløses i dielektrikumet, og ionerne begynder at bevæge sig mod den inaktive elektrode. Disse ioner danner til sidst en ledende filament, der forbinder de to elektroder, reducere den elektriske modstand. Når spændingen vendes, filamenterne knækker, skifte tilbage til høj modstandstilstand. En animeret gif vist i denne video skildrer handlingen:

Forskerne var i stand til for første gang at simulere, hvad der sker ved enhedernes faktiske nanoskalastørrelse og tidsregimer, giver ny information om, hvordan filamenterne dannes og går i stykker. Resultaterne giver ny indsigt i de elektrokemiske reaktioner, der fører til dannelsen af ​​filamenterne og deres opdeling, forudsige den ultrahurtige drift observeret i tidligere eksperimenter med større enheder, med at skifte så hurtigt som et par nanosekunder.

Fremkomsten af ​​sådanne avancerede simuleringer gør det muligt at forudsige den præcise adfærd og ydeevne af nye enheder, før de er blevet konstrueret, et mål for Materials Genome Initiative dannet i 2011.

"Målet med MGI er at opdage, udvikle og implementere materialer dobbelt så hurtigt til halvdelen af ​​prisen, " sagde Strachan. "Nu går der 20 år fra vi opdager et materiale i et laboratorium, til vi putter det i et produkt, og det er for lang tid. Vi forudser, at de næste årtier vil være vidne til en revolution med inkorporering af multiskala simulering og eksperimenter, der fører til dramatiske gevinster i ydeevne og reduktion i udviklingsomkostninger og tid."

Forskningen er baseret på Birck Nanotechnology Center i Purdue's Discovery Park og er tilknyttet Network for Computational Nanotechnology, Center for prædiktive materialer og enheder (c-PRIMED) og nanoHUB. Simuleringerne udføres ved hjælp af supercomputere gennem Information Technology hos Purdues (ITaP) forskningscomputerafdeling.

Dette arbejde blev støttet af FAME Center, et af seks centre af STARnet, et Semiconductor Research Corporation-program sponsoreret af MARCO og DARPA og af US Department of Energy's National Nuclear Security Administration.

Fremtidigt arbejde vil involvere forskning for at finde bedre materialer til enhederne.