Forskare arbetar på nya material för att skapa neuromorfa datorer med en design baserad på den mänskliga hjärnan. En avgörande komponent är en memristiv enhet, vars motstånd beror på enhetens historia – precis som neuronernas svar beror på tidigare input. Materialforskare från universitetet i Groningen analyserade beteendet hos strontiumtitanoxid, ett plattformsmaterial för memristorforskning och använde 2D-materialet grafen för att sondera det. Den 11 november 2020, resultaten publicerades i tidskriften ACS tillämpade material och gränssnitt .

Datorer baserade på switchar som har ett värde på antingen 0 eller 1. Genom att använda väldigt många av dessa binära system, datorer kan utföra beräkningar mycket snabbt. Dock, i övrigt, datorer är inte särskilt effektiva. Hjärnor använder mindre energi för att känna igen ansikten eller utföra andra komplexa uppgifter än en vanlig mikroprocessor. Det beror på att hjärnan är uppbyggd av neuroner som kan ha många andra värden än 0 och 1 och för att neuronernas produktion beror på tidigare input.

Syre vakans

För att skapa memristorer, växlar med minne av tidigare händelser, strontium titanoxid (STO) används ofta. Detta material är en perovskite, vars kristallstruktur beror på temperatur och kan bli ett begynnande ferroelektriskt material vid låga temperaturer. Det ferroelektriska beteendet förloras över 105 Kelvin. De domäner och domänväggar som följer med dessa fasövergångar är föremål för aktiv forskning. Ändå är det fortfarande inte helt klart varför materialet beter sig som det gör. "Det är i en egen liga, " säger Tamalika Banerjee, professor i spintronik av funktionella material vid Zernike Institute for Advanced Materials, Universitetet i Groningen.

Syreatomerna i kristallen verkar vara nyckeln till dess beteende. "Syrevakanser kan röra sig genom kristallen och dessa defekter är viktiga, " säger Banerjee. "Dessutom, domänväggar finns i materialet och de rör sig när en spänning appliceras på det." Många studier har försökt ta reda på hur detta händer, men att titta inuti detta material är komplicerat. Dock, Banerjees team lyckades använda ett annat material som är i en egen liga:grafen, det tvådimensionella kolskiktet.

Ledningsförmåga

"Grafens egenskaper definieras av dess renhet, " säger Banerjee, "medan egenskaperna hos STO härrör från brister i kristallstrukturen. Vi fann att kombinationen av dem leder till nya insikter och möjligheter." Mycket av detta arbete utfördes av Banerjees Ph.D. student Si Chen. Hon placerade grafenremsor ovanpå en flinga av STO och mätte konduktiviteten vid olika temperaturer genom att svepa en grindspänning mellan positiva och negativa värden. "När det finns ett överskott av antingen elektroner eller de positiva hålen, skapad av grindspänningen, grafen blir ledande, " Chen förklarar. "Men vid den punkt där det finns mycket små mängder elektroner och hål, Dirac-punkten, ledningsförmågan är begränsad."

Under normala omständigheter, det lägsta konduktivitetsläget ändras inte med gatespänningens svepriktning. Dock, i grafenremsorna ovanpå STO, det finns ett stort avstånd mellan minimikonduktivitetspositionerna för svep framåt och bakåt. Effekten är mycket tydlig vid 4 Kelvin, men mindre uttalad vid 105 Kelvin eller vid 150 Kelvin. Analys av resultaten, tillsammans med teoretiska studier utförda vid Uppsala universitet, visar att syrevakanser nära ytan av STO är ansvariga.

Minne

Banerjee:"Fasövergångarna under 105 Kelvin sträcker kristallstrukturen, skapa dipoler. Vi visar att syrevakanser ackumuleras vid domänväggarna och att dessa väggar erbjuder kanalen för förflyttning av syrevakanser. Dessa kanaler är ansvariga för memristivt beteende i STO." Ansamling av syrevakanskanaler i STOs kristallstruktur förklarar förändringen i läget för den minsta konduktiviteten.

Chen genomförde också ett annat experiment:"Vi höll STO-grindspänningen vid -80 V och mätte motståndet i grafenet i nästan en halvtimme. Under denna period, vi observerade en förändring i motståndet, indikerar en förskjutning från hål- till elektronledningsförmåga." Denna effekt orsakas främst av ackumulering av syrevakanser vid STO-ytan.

Allt som allt, experimenten visar att egenskaperna hos det kombinerade STO/grafenmaterialet förändras genom förflyttning av både elektroner och joner, var och en på olika tidsskalor. Banerjee:"Genom att skörda det ena eller det andra, vi kan använda de olika svarstiderna för att skapa memristiva effekter, som kan jämföras med korttids- eller långtidsminneseffekter." Studien skapar nya insikter i beteendet hos STO memristorer. "Och kombinationen med grafen öppnar en ny väg till memristiva heterostrukturer som kombinerar ferroelektriska material och 2D-material ."