Wetenschappers over de hele wereld werken intensief aan memristieve apparaten die extreem weinig stroom verbruiken en zich op dezelfde manier gedragen als neuronen in de hersenen. Onderzoekers van de Jülich Aachen Research Alliance (JARA) en de Duitse technologiegroep Heraeus rapporteren nu de systematische controle van het functionele gedrag van deze elementen. De kleinste verschillen in materiaalsamenstelling bleken cruciaal, zo klein dat tot nu toe experts hadden ze niet opgemerkt. De ontwerprichtingen van de onderzoekers kunnen helpen om de variëteit te vergroten, efficiëntie, selectiviteit en betrouwbaarheid voor op memristive technologie gebaseerde toepassingen, bijvoorbeeld, energiezuinig, niet-vluchtige opslagapparaten of neuro-geïnspireerde computers.

Het Japanse bedrijf NEC installeerde in 2017 de eerste memresistieve prototypen in ruimtesatellieten. Veel andere toonaangevende bedrijven zoals Hewlett Packard, Intel, IBM en Samsung werken eraan om innovatieve soorten computer- en opslagapparaten op de markt te brengen op basis van geheugenelementen.

Fundamenteel, memristors zijn gewoon "weerstanden met geheugen, " waarbij hoge weerstand kan worden omgeschakeld naar lage weerstand en weer terug. Dit betekent in principe dat de apparaten adaptief zijn, vergelijkbaar met een synaps in een biologisch zenuwstelsel. "Memristieve elementen worden beschouwd als ideale kandidaten voor neuro-geïnspireerde computers gemodelleerd naar de hersenen, die veel belangstelling hebben in verband met deep learning en kunstmatige intelligentie, " zegt Dr. Ilia Valov van het Peter Grünberg Instituut (BGA-7) in Forschungszentrum Jülich.

In het laatste nummer van het open access tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang, hij en zijn team beschrijven hoe het schakel- en neuromorfe gedrag van memristieve elementen selectief kan worden gecontroleerd. Volgens hun bevindingen de cruciale factor is de zuiverheid van de schakelende oxidelaag. "Afhankelijk van het feit of je een materiaal gebruikt dat 99,999999 % zuiver is, en of je één vreemd atoom in 10 miljoen atomen puur materiaal introduceert, of in 100 atomen, de eigenschappen van de memristieve elementen variëren aanzienlijk, ', zegt Valov.

Dit effect werd tot nu toe door experts over het hoofd gezien. Het kan heel specifiek worden gebruikt voor het ontwerpen van memristieve systemen, op een vergelijkbare manier als dopinghalfgeleiders in de informatietechnologie. "De introductie van vreemde atomen stelt ons in staat om de oplosbaarheid en transporteigenschappen van de dunne oxidelagen te beheersen, " legt Dr. Christian Neumann van de technologiegroep Heraeus uit. Hij heeft zijn materiaalexpertise aan het project bijgedragen sinds het eerste idee in 2015 werd bedacht.

"In recente jaren, er is opmerkelijke vooruitgang geboekt in de ontwikkeling en het gebruik van memristieve apparaten, dat er echter vaak vooruitgang is geboekt op puur empirische basis, " volgens Valov. Met behulp van de inzichten die zijn team heeft opgedaan, fabrikanten zouden nu methodisch memristieve elementen kunnen ontwikkelen door de functies te selecteren die ze nodig hebben. Hoe hoger de dopingconcentratie, hoe langzamer de weerstand van de elementen verandert naarmate het aantal inkomende spanningspulsen toeneemt en afneemt, en hoe stabieler de weerstand blijft. "Dit betekent dat we een manier hebben gevonden om soorten kunstmatige synapsen te ontwerpen met verschillende prikkelbaarheid, ', zegt Valov.

Ontwerpspecificatie voor kunstmatige synapsen

Het vermogen van de hersenen om informatie te leren en vast te houden kan grotendeels worden toegeschreven aan het feit dat de verbindingen tussen neuronen worden versterkt wanneer ze vaak worden gebruikt. Memristieve apparaten, waarvan er verschillende soorten zijn, zoals elektrochemische metallisatiecellen (ECM's) of valentieveranderingsgeheugencellen (VCM's), gelijkaardig gedragen. Wanneer deze componenten worden gebruikt, de geleidbaarheid neemt toe naarmate het aantal inkomende spanningspulsen toeneemt. De veranderingen kunnen ook worden teruggedraaid door het aanleggen van spanningspulsen van de tegenovergestelde polariteit.

De JARA-onderzoekers voerden hun systematische experimenten uit op ECM's, die bestaan ​​uit een koperen elektrode, een platina-elektrode en een laag siliciumdioxide ertussen. Dankzij de samenwerking met Heraeus-onderzoekers, de JARA-wetenschappers hadden toegang tot verschillende soorten siliciumdioxide:een met een zuiverheid van 99,999999% - ook wel 8N siliciumdioxide genoemd - en andere met 100 tot 10, 000 ppm (parts per million) vreemde atomen. Het nauwkeurig gedoteerde glas dat in hun experimenten werd gebruikt, is speciaal ontwikkeld en vervaardigd door kwartsglasspecialist Heraeus Conamic, die ook het patent voor de procedure heeft. Koper en protonen fungeerden als mobiele dopingmiddelen, terwijl aluminium en gallium werden gebruikt als niet-vluchtige doping.

Record schakeltijd bevestigt theorie

Op basis van hun reeks experimenten, de onderzoekers konden aantonen dat de ECM-schakeltijden veranderen als de hoeveelheid dopingatomen verandert. Als de schakellaag is gemaakt van 8N siliciumdioxide, de memristieve component schakelt in slechts 1,4 nanoseconden. Daten, de snelste waarde ooit gemeten voor ECM's was ongeveer 10 nanoseconden. Door de oxidelaag van de componenten te doteren met maximaal 10, 000 ppm vreemde atomen, de schakeltijd werd verlengd tot in het bereik van milliseconden.

"We kunnen onze resultaten ook theoretisch verklaren. Dit helpt ons de fysisch-chemische processen op nanoschaal te begrijpen en deze kennis in de praktijk toe te passen, " zegt Valov. Op basis van algemeen geldende theoretische overwegingen en ondersteund door experimentele resultaten, hij is ervan overtuigd dat het doping/onzuiverheidseffect optreedt en kan worden toegepast in alle soorten memristieve elementen.