Onderzoek naar schaalbare paden voor kosteneffectieve memristors met behulp van oplossingsverwerkte 2D-materialen

Naarmate de vraag naar gegevensintensief computergebruik groeit, doet ook de behoefte aan geheugentechnologieën van de volgende generatie in staat om snelheid, energie-efficiëntie en schaalbaarheid te leveren. Memristors-opzettelijke geheugenapparaten die gegevens tegelijkertijd opslaan en verwerken-worden als veelbelovende kandidaten beschouwd voor de volgende generatie in-memory en neuromorfe computersystemen.

Toch blijft hun wijdverbreide implementatie beperkt door productiebeperkingen, met name de afweging tussen apparaatprestaties en fabricagekosten.

In een studie gepubliceerd in de International Journal of Extreme ManufacturingProf. Joohoon Kang en zijn team van de Yonsei University onderzoeken deze veelbelovende grens met behulp van oplossingsverwerkte tweedimensionale (2D) materialen om memristors te fabriceren. Het artikel biedt de eerste diepgaande enquête die specifiek is gewijd aan memristors die zijn gemaakt met behulp van oplossingsgebaseerde 2D-materialen, van synthese en apparaattechniek tot schakelmechanismen en toepassingen.

“Hoewel 2D -materialen al lang veelbelovend zijn in elektronische apparaten, hebben hun hoge productiekosten praktische toepassingen gehinderd”, aldus prof. Kang. “Onze review belicht recente doorbraken die aantonen dat op oplossingen gebaseerde technieken deze materialen dichter bij schaalbaar, real-world gebruik kunnen brengen.”

Waarom met oplossingen worden bewerkt 2D-materialen?

Traditionele memristors zijn vaak gebaseerd op overgangsmetaaloxiden, die goede prestaties bieden, maar moeilijk en duur kunnen zijn om op schaal te produceren. Tweedimensionale materialen-zoals MOS₂ of andere gelaagde kristallen-worden als alternatieven bestudeerd, dankzij hun potentieel voor laag stroomverbruik, snel schakelen en mechanische flexibiliteit.

De meest voorkomende productietechnieken voor 2D -materialen, zoals mechanische peeling of chemische dampafzetting (CVD), gezichtsbeperkingen in termen van opbrengst-, kosten- en apparatuurvereisten.

Om deze beperkingen aan te pakken, wenden onderzoekers zich tot op oplossingen gebaseerde benaderingen, zoals scrubs voor vloeistoffase, die grote hoeveelheden 2D-materiaaldispersies kunnen produceren tegen relatief lage kosten. Deze dispersies kunnen vervolgens worden afgezet op oppervlakken met behulp van bekende productiemethoden zoals spray-coating, inkjetprinting of spincoating.

“Oplossingsverwerking kan 2D-materialen worden geproduceerd en toegepast op manieren die meer compatibel zijn met de productie van grote area en high-throughput,” legde Prof. Kang uit.

Recente doorbraken

Ondanks zijn schaalbaarheid leed de verwerking van oplossingen historisch aan ernstige nadelen. Nanosheets geproduceerd via vloeibare exfoliatie zijn meestal klein (meestal 100 nm) en defect, wat resulteert in een hoge intersheetweerstand en niet-uniforme films die de prestaties van het apparaat afbreken.

Het team van Kang benadrukt hoe recente innovaties – met name elektrochemische intercalatie gevolgd door milde sonicatie – deze barrières overwinnen.

Deze techniek produceert grotere, minder beschadigde nanosheets met verbeterde filmcontinuïteit en drastisch verminderde junctiebestandheid. Als gevolg hiervan naderen memristors die met deze materialen worden gefabriceerd nu de prestatieniveaus van die gemaakt via CVD of mechanische peeling.

“Deze benadering heeft het veld nieuw leven ingeblazen”, aldus co-eerste auteur Kijeong Nam. “We zien nu elektronische prestatiestatistieken die op oplossingen gebaseerde 2D-memristors voor het eerst concurrerend maken.”

Resterende uitdagingen

Hoewel de vooruitgang belangrijk is, waarschuwen de auteurs dat verschillende technische uitdagingen moeten worden aangepakt vóór commerciële acceptatie. De belangrijkste hiervan is de behoefte aan:

• Het bereiken van uniforme filmdikte en lage oppervlakteruwheid
• Het verminderen van apparaat-tot-apparaat variabiliteit
• Verbetering van de grootte en structurele uniformiteit van de nanosheets
• De materialen integreren in grootschalige apparaatarrays

“Het bereiken van reproduceerbare arrays met groot gebied met strakke prestatievariatie blijft een kritische hindernis,” zei Dr. Dongjoon Rhee, een andere co-first auteur. “Maar het interdisciplinaire karakter van dit veld, zoals chemie, materialenwetenschap, apparaatfysica en AI, maakt het opwindend om naar te kijken.”

Vooruitzichten

Terwijl kunstmatige intelligentie, edge computing en IoT-toepassingen zich blijven prolifereren, wordt de druk om efficiënte en kosteneffectieve geheugenoplossingen te ontwikkelen, monteren. De beoordeling van Kang en collega’s biedt een tijdige en uitgebreide kijk op een klasse materialen die de sleutel kunnen zijn tot schaalbaar, hoogwaardige memristief computergebruik.

“De toekomst van oplossingsgewerkte 2D-memristors zal afhangen van hoe goed we kunnen trouwen met goedkope fabricage met apparaatbetrouwbaarheid op schaal. Er is nog werk te doen, maar de potentiële voordelen van deze materialen maken ze het nastreven,” voegde Prof. Kang eraan toe.