Ny indsigt i memristive enheder ved at kombinere begyndende ferroelektrik og grafen

Forskere arbejder på nye materialer til at skabe neuromorfe computere med et design baseret på den menneskelige hjerne. En afgørende komponent er en hukommelsesanordning, hvis modstand afhænger af enhedens historie – ligesom neuronernes reaktion afhænger af tidligere input. Materialeforskere fra University of Groningen analyserede adfærden af ​​strontium titaniumoxid, et platformsmateriale til memristorforskning og brugte 2-D-materialet grafen til at sondere det. Den 11. november 2020, resultaterne blev offentliggjort i tidsskriftet ACS anvendte materialer og grænseflader .

Computere baseret på switches, der har en værdi på enten 0 eller 1. Ved at bruge rigtig mange af disse binære systemer, computere kan udføre beregninger meget hurtigt. Imidlertid, i andre henseender, computere er ikke særlig effektive. Hjerner bruger mindre energi til at genkende ansigter eller udføre andre komplekse opgaver end en standard mikroprocessor. Det skyldes, at hjernen består af neuroner, der kan have mange andre værdier end 0 og 1, og fordi neuronernes output afhænger af tidligere input.

Ilt ledige stillinger

For at oprette memristorer, skifter med en hukommelse af tidligere begivenheder, strontium titanium oxid (STO) bruges ofte. Dette materiale er en perovskite, hvis krystalstruktur afhænger af temperatur og kan blive et begyndende ferroelektrisk materiale ved lave temperaturer. Den ferroelektriske adfærd går tabt over 105 Kelvin. De domæner og domænevægge, der ledsager disse faseovergange, er genstand for aktiv forskning. Alligevel er det stadig ikke helt klart, hvorfor materialet opfører sig, som det gør. "Det er i sin egen liga, " siger Tamalika Banerjee, professor i spintronik af funktionelle materialer ved Zernike Institute for Advanced Materials, Universitetet i Groningen.

Iltatomerne i krystallen ser ud til at være nøglen til dens adfærd. "Oxygen ledige steder kan bevæge sig gennem krystallen, og disse defekter er vigtige, " siger Banerjee. "Desuden, domænevægge er til stede i materialet, og de bevæger sig, når en spænding påføres det." Talrige undersøgelser har søgt at finde ud af, hvordan dette sker, men at se inde i dette materiale er kompliceret. Imidlertid, Banerjees hold lykkedes med at bruge et andet materiale, der er i sin egen liga:grafen, den todimensionelle kulstofplade.

Ledningsevne

"Grafens egenskaber er defineret af dets renhed, " siger Banerjee, "hvorimod egenskaberne ved STO stammer fra ufuldkommenheder i krystalstrukturen. Vi fandt ud af, at kombinationen af ​​dem fører til ny indsigt og muligheder." Meget af dette arbejde blev udført af Banerjees ph.d. studerende Si Chen. Hun placerede grafenstrimler oven på en flage af STO og målte ledningsevnen ved forskellige temperaturer ved at feje en portspænding mellem positive og negative værdier. "Når der er et overskud af enten elektroner eller de positive huller, skabt af portspændingen, grafen bliver ledende, " Chen forklarer. "Men på det punkt, hvor der er meget små mængder elektroner og huller, Dirac-punktet, ledningsevnen er begrænset."

Under normale omstændigheder, den mindste ledningsevneposition ændres ikke med gatespændingens fejeretning. Imidlertid, i grafenstrimlerne oven på STO, der er en stor adskillelse mellem minimumskonduktivitetspositionerne for fremadsweep og bagudsweep. Effekten er meget tydelig ved 4 Kelvin, men mindre udtalt ved 105 Kelvin eller ved 150 Kelvin. Analyse af resultaterne, sammen med teoretiske undersøgelser udført ved Uppsala Universitet, viser, at ilt ledige pladser nær overfladen af ​​STO er ansvarlige.

Hukommelse

Banerjee:"Faseovergangene under 105 Kelvin strækker krystalstrukturen, skabe dipoler. Vi viser, at ilt ledige pladser ophobes ved domænevæggene, og at disse vægge tilbyder kanalen for bevægelse af ilt ledige pladser. Disse kanaler er ansvarlige for memristiv adfærd i STO." Akkumulering af ilttomgangskanaler i krystalstrukturen af ​​STO forklarer skiftet i positionen af ​​den minimale ledningsevne.

Chen udførte også et andet eksperiment:"Vi holdt STO-gatespændingen på -80 V og målte modstanden i grafenet i næsten en halv time. I denne periode, vi observerede en ændring i modstand, indikerer et skift fra hul- til elektronledningsevne." Denne effekt er primært forårsaget af akkumulering af ilt ledige pladser på STO-overfladen.

Alt i alt, forsøgene viser, at egenskaberne af det kombinerede STO/grafenmateriale ændres gennem bevægelse af både elektroner og ioner, hver på forskellige tidsskalaer. Banerjee:"Ved at høste det ene eller det andet, vi kan bruge de forskellige responstider til at skabe memristive effekter, som kan sammenlignes med kortsigtede eller langsigtede hukommelseseffekter." Undersøgelsen skaber ny indsigt i STO memristorers adfærd. "Og kombinationen med grafen åbner en ny vej til memristive heterostrukturer, der kombinerer ferroelektriske materialer og 2-D materialer ."