Nieuwe inzichten in memristieve apparaten door beginnende ferro-elektrische verbindingen en grafeen te combineren

Wetenschappers werken aan nieuwe materialen om neuromorfe computers te maken met een ontwerp gebaseerd op het menselijk brein. Een cruciaal onderdeel is een geheugenapparaat, waarvan de weerstand afhangt van de geschiedenis van het apparaat – net zoals de reactie van neuronen afhangt van eerdere input. Materiaalwetenschappers van de Rijksuniversiteit Groningen analyseerden het gedrag van strontiumtitaanoxide, een platformmateriaal voor memristoronderzoek, en gebruikten het 2-D-materiaal grafeen om het te onderzoeken. Op 11 november 2020 zijn de resultaten gepubliceerd in het tijdschrift ACS toegepaste materialen en interfaces.

Computers die zijn gebaseerd op schakelaars die de waarde 0 of 1 hebben. Met een groot aantal van deze binaire systemen kunnen computers zeer snel berekeningen uitvoeren. In andere opzichten zijn computers echter niet erg efficiënt. Hersenen gebruiken minder energie om gezichten te herkennen of andere complexe taken uit te voeren dan een standaard microprocessor. Dat komt doordat de hersenen bestaan ​​uit neuronen die veel andere waarden kunnen hebben dan 0 en 1 en omdat de output van de neuronen afhangt van eerdere input.

Oxygen vacatures

Om memristors te maken, schakelaars met een herinnering aan gebeurtenissen uit het verleden, wordt vaak strontiumtitaanoxide (STO) gebruikt. Dit materiaal is een perovskiet, waarvan de kristalstructuur afhankelijk is van de temperatuur en bij lage temperaturen een beginnend ferro-elektrisch materiaal kan worden. Het ferro-elektrische gedrag gaat verloren boven 105 Kelvin. De domeinen en domeinwanden die deze faseovergangen begeleiden, zijn onderwerp van actief onderzoek. Toch is het nog steeds niet helemaal duidelijk waarom het materiaal zich gedraagt ​​zoals het zich gedraagt. “Het is een klasse apart”, zegt Tamalika Banerjee, hoogleraar spintronica van functionele materialen aan het Zernike Institute for Advanced Materials, Rijksuniversiteit Groningen.

De zuurstofatomen in het kristal lijken de sleutel tot zijn gedrag te zijn. “Zuurstofvacatures kunnen door het kristal bewegen en deze defecten zijn belangrijk”, zegt Banerjee. “Bovendien zijn er domeinwanden in het materiaal aanwezig en die bewegen als er spanning op staat.” Talrijke studies hebben geprobeerd uit te vinden hoe dit gebeurt, maar het is ingewikkeld om in dit materiaal te kijken. Het team van Banerjee is er echter in geslaagd een ander materiaal te gebruiken dat een klasse apart is: grafeen, de tweedimensionale carbonplaat.

Geleidbaarheid

“De eigenschappen van grafeen worden bepaald door zijn zuiverheid”, zegt Banerjee, “terwijl de eigenschappen van STO voortkomen uit onvolkomenheden in de kristalstructuur. We ontdekten dat het combineren ervan leidt tot nieuwe inzichten en mogelijkheden.” Veel van dit werk werd uitgevoerd door Banerjee’s Ph.D. student Si Chen. Ze plaatste grafeenstroken bovenop een vlok STO en mat de geleidbaarheid bij verschillende temperaturen door een poortspanning tussen positieve en negatieve waarden te vegen. “Wanneer er een teveel is aan elektronen of positieve gaten, gecreëerd door de poortspanning, wordt grafeen geleidend”, legt Chen uit. “Maar op het punt waar er zeer kleine hoeveelheden elektronen en gaten zijn, het Dirac-punt, is de geleidbaarheid beperkt.”

Onder normale omstandigheden verandert de positie van de minimale geleidbaarheid niet met de veegrichting van de poortspanning. In de grafeenstrips bovenop STO is er echter een grote scheiding tussen de minimale geleidbaarheidsposities voor de voorwaartse sweep en de achterwaartse sweep. Het effect is heel duidelijk bij 4 Kelvin, maar minder uitgesproken bij 105 Kelvin of 150 Kelvin. Analyse van de resultaten, samen met theoretische studies uitgevoerd aan de Universiteit van Uppsala, toont aan dat zuurstofvacatures nabij het oppervlak van de STO verantwoordelijk zijn.

Geheugen

Banerjee: “De faseovergangen onder de 105 Kelvin rekken de kristalstructuur uit, waardoor dipolen ontstaan. We laten zien dat zuurstofvacatures zich ophopen aan de domeinmuren en dat deze wanden het kanaal bieden voor de verplaatsing van zuurstofvacatures. Deze kanalen zijn verantwoordelijk voor het geheugengedrag in STO . ” Accumulatie van zuurstofvrije kanalen in de kristalstructuur van STO verklaart de verschuiving in de positie van de minimale geleidbaarheid.

Chen voerde ook een ander experiment uit: “We hielden de STO-poortspanning op -80 V en maten de weerstand in het grafeen gedurende bijna een half uur. In deze periode zagen we een verandering in weerstand, wat duidt op een verschuiving van gat- naar elektronengeleiding. . ” Dit effect wordt voornamelijk veroorzaakt door de ophoping van zuurstofvacatures op het STO-oppervlak.

Al met al laten de experimenten zien dat de eigenschappen van het gecombineerde STO / grafeen materiaal veranderen door de beweging van zowel elektronen als ionen, elk op verschillende tijdschalen. Banerjee: “Door de een of de ander te oogsten, kunnen we de verschillende reactietijden gebruiken om memristieve effecten te creëren, die vergelijkbaar zijn met geheugeneffecten op korte of lange termijn.” Het onderzoek levert nieuwe inzichten op in het gedrag van STO-memristors. “En de combinatie met grafeen opent een nieuw pad naar memristieve heterostructuren die ferro-elektrische materialen en 2-D-materialen combineren.”