(PhysOrg.com) -- En kritisk granskning av den nuvarande statusen och framtidsutsikterna för nya datorarkitekturer baserade på "atomomkopplare" tillverkade genom att kontrollera rörelsen av katjoniska joner under fasta elektrokemiska reaktioner.
En genomgång av nya typer av nanoenheter och datorer baserade på katjonbaserade atomomkopplare presenteras Takami Hino och medarbetare vid WPI Center for Materials Nanoarchitectonics vid National Institute for Materials Science (NIMS) i Tsukuba, Japan. Granskningen publiceras denna månad i tidskriften Vetenskap och teknik för avancerade material .
Forskarna beskriver de grundläggande mekanismerna som styr funktionen av nanojoniska atomomkopplare med detaljerade exempel på sina egna tre terminalenheter, och förutsäga en ljus framtid för att integrera atomomkopplare med konventionella kiselenheter genom att använda jonledande material.
Mekaniska atomomkopplare - som drivs genom att manipulera atomer mellan en ledande yta och spetsen på ett scanning tunneling microscope (STM) - rapporterades först i början av 1990-talet. Dessa mekaniska omkopplare utlöste ett intensivt intresse för utvecklingen av elektriskt styrda atomomkopplare, produceras genom förflyttning av katjoniska joner i fasta elektrokemiska reaktioner, där driften av katjoniska atomomkopplare styrs av bildandet av en ledande kanal antingen i eller på en jonledare.
Nu, utmaningen för forskare inom detta område är tillverkningen av nanojoniska enhetsstrukturer som kan integreras med konventionella metalloxidkiselhalvledarenheter.
I sin enklaste konfiguration, driften av en nanojonisk atomomkopplare består av bildning och sönderdelning av nanometerstora metalltrådar via en solid elektrokemisk reaktion, vilket leder till stora förändringar i resistansen mellan elektroderna - "på" och "av".
I denna recension, Hino och kollegor beskriver kontrollen av silverjoner i silversulfid - en jonledare - med hjälp av en STM-spets för att injicera elektroner för att producera silverutsprång på ytan av silversulfid, och deras krympning genom att applicera en lämplig förspänning mellan STM-spetsen och elektroden. Viktigt, appliceringen av en positiv förspänning mellan en silversulfidspets och en platinayta leder till tillväxt av silvertrådar och en negativ förspänning ledde till att de krympte. Denna bipolära kontroll är viktig för praktiska enhetstillämpningar.
Atomomkopplare av gaptyp är en grundläggande byggsten för bipolära nanojoniska enheter. Här, forskarna ger en detaljerad redogörelse för bipolär växling med silversulfid STM-spetsar och platinaelektroder baserat på deras egna experiment på "crossbar"-anordningsstrukturer med ett 1 nm gap mellan silversulfid och platina, med tonvikt på den fysiska mekanismen som styr höghastighetsväxling vid 1 MHz, och upptäckten att omkopplingstiden minskar exponentiellt med ökande förspänning. Författarna betonar att utvecklingen av en reproducerbar metod för att tillverka "tvärstångsanordningar" var ett stort genombrott, vilket möjliggjorde den första demonstrationen av nanojoniska kretsar såsom logiska grindar.
Med tanke på praktiska tillämpningar av atomomkopplare, författarna ger exempel på avancerade atomomkopplare inklusive enheter av gapless-typ bestående av metall/jonledare/metallstrukturer, där en av metallerna är elektrokemiskt aktiv och den andra inert. I synnerhet, färska rapporter om användningen av metalloxider som jonledare har lagt ytterligare fart för kommersialisering av enheter.
I synnerhet, gaplösa atomomkopplare fungerar också som så kallade "memristorer" (minnesmotstånd) - passiva tvåterminala multi-state minnesenheter - där storleken på nanotrådens utsprång styr funktionsegenskaperna.
Andra avancerade atomomkopplare inkluderar:tre terminalenheter såsom strukturer med en fast kopparsulfidelektrolyt, där bildningen av en kopparbrygga mellan en platinakällaelektrod och koppardräneringselektrod styrs av en kopparstyrelektrod; och fotoassisterade atomomkopplare, som inte kräver nanogaps, och nanotrådsutsprång odlas genom optisk bestrålning av ett fotoledande material beläget mellan den anjon- och elektronledande elektroden och en motmetallelektrod. Spännande nog, eftersom strömbrytaren slås på när det växande metallutsprånget når motelektroden, och utsprånget växer inte i mörkret, den fotoassisterade atomomkopplaren fungerar som en programmerbar omkopplare som kan användas i raderbart programmerbart läsminne (EPROM).
Författarna beskriver också "inlärningsförmågan" hos atomomkopplare som kan korttids- och långtidsminnen i enstaka nanojoniska enheter; icke-flyktiga bipolära omkopplare; två terminala atomomkopplarlogiska grindar; och fältprogrammerbara grindmatriser integrerade med CMOS-enheter.
Denna recension innehåller 77 referenser och 20 siffror och ger en ovärderlig källa till aktuell information för nykomlingar och experter inom detta spännande forskningsområde.
