(PhysOrg.com) -- Een kritische beoordeling van de huidige status en toekomstige vooruitzichten van nieuwe computerarchitecturen op basis van 'atomaire schakelaars' die zijn gefabriceerd door de beweging van kationische ionen tijdens vaste elektrochemische reacties te regelen.

Takami Hino en collega's van het WPI Center for Materials Nanoarchitectonics van het National Institute for Materials Science (NIMS) in Tsukuba geven een overzicht van nieuwe soorten nanodevices en computers op basis van op kationen gebaseerde atomaire schakelaars. Japan. De review paper wordt deze maand gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap en technologie van geavanceerde materialen .

De onderzoekers beschrijven de fundamentele mechanismen die de werking van nano-ionische atomaire schakelaars bepalen met gedetailleerde voorbeelden van hun eigen drie eindapparaten, en een mooie toekomst voorspellen voor de integratie van atomaire schakelaars met conventionele siliciumapparaten door ionisch geleidende materialen te gebruiken.

Mechanische atomaire schakelaars - bediend door atomen te manipuleren tussen een geleidend oppervlak en de punt van een scanning tunneling microscope (STM) - werden voor het eerst gerapporteerd in de vroege jaren negentig. Deze mechanische schakelaars wekten grote belangstelling voor de ontwikkeling van elektrisch gestuurde atomaire schakelaars, geproduceerd door de beweging van kationische ionen in vaste elektrochemische reacties, waarbij de werking van kationische atomaire schakelaars wordt bepaald door de vorming van een geleidend kanaal in of op een ionische geleider.

Nutsvoorzieningen, de uitdaging voor onderzoekers op dit gebied is de fabricage van nano-ionische apparaatstructuren die kunnen worden geïntegreerd met conventionele metaaloxide-siliciumhalfgeleiderapparaten.

In zijn eenvoudigste configuratie, de werking van een nano-ionische atoomschakelaar bestaat uit de vorming en desintegratie van metalen draden ter grootte van nanometers via een solide elektrochemische reactie, wat leidt tot grote veranderingen in de weerstand tussen elektroden - de 'aan'- en 'uit'-toestanden.

In deze recensie, Hino en collega's beschrijven de controle van zilverionen in zilversulfide - een ionische geleider - met behulp van een STM-tip om elektronen te injecteren om zilveren uitsteeksels op het oppervlak van zilversulfide te produceren, en hun krimp door een geschikte voorspanning aan te leggen tussen de STM-tip en de elektrode. belangrijk, de toepassing van een positieve voorspanning tussen een zilversulfidepunt en een platina-oppervlak leidt tot de groei van zilverdraden en een negatieve voorspanning leidde tot hun krimp. Deze bipolaire controle is belangrijk voor praktische apparaattoepassingen.

Atomaire schakelaars van het Gap-type zijn een fundamentele bouwsteen voor bipolaire nano-ionische apparaten. Hier, de onderzoekers geven een gedetailleerd verslag van bipolaire schakeling met behulp van zilversulfide STM-tips en platina-elektroden op basis van hun eigen experimenten op 'crossbar'-apparaatstructuren met een opening van 1 nm tussen zilversulfide en platina, met de nadruk op het fysieke mechanisme dat het schakelen met hoge snelheid op 1 MHz regelt, en de bevinding dat de schakeltijd exponentieel afneemt met toenemende voorspanning. De auteurs benadrukken dat de ontwikkeling van een reproduceerbare methode voor het vervaardigen van 'crossbar'-apparaten een grote doorbraak was, waarmee de eerste demonstratie van nano-ionische circuits zoals logische poorten mogelijk was.

Met het oog op praktische toepassingen van atoomschakelaars, de auteurs geven voorbeelden van geavanceerde atomaire schakelaars, waaronder apparaten van het gapless-type bestaande uit metaal/ionische geleider/metaalstructuren, waarbij een van de metalen elektrochemisch actief is en de andere inert. Opmerkelijk, recente rapporten over het gebruik van metaaloxiden als ionengeleiders hebben een verdere impuls gegeven aan de commercialisering van apparaten.

Opmerkelijk, gapless atomaire schakelaars fungeren ook als zogenaamde 'memristors' (geheugenweerstanden) - passieve twee-terminal multi-state geheugenapparaten - waarbij de grootte van het uitsteeksel van de nanodraad de werkingskenmerken bepaalt.

Andere geavanceerde atomaire schakelaars zijn onder meer:​​drie eindapparaten zoals structuren met een vast kopersulfide-elektrolyt, waarbij de vorming van een koperen brug tussen een platinabronelektrode en koperafvoerelektrode wordt geregeld door een koperen poortelektrode; en fotoassisted atomaire schakelaars, waarvoor geen nanogaps nodig zijn, en nanodraaduitsteeksels worden gekweekt door optische bestraling van een fotogeleidend materiaal dat zich tussen de anion- en elektronengeleidende elektrode en een tegenmetaalelektrode bevindt. Intrigerend, aangezien de schakelaar 'aan' wordt gezet wanneer het groeiende metalen uitsteeksel de tegenelektrode bereikt, en het uitsteeksel groeit niet in het donker, de photoassisted atomaire schakelaar gedraagt ​​zich als een programmeerbare schakelaar die kan worden gebruikt in uitwisbaar programmeerbaar alleen-lezen geheugen (EPROM).

De auteurs beschrijven ook de 'leercapaciteiten' van atomaire schakelaars die in staat zijn tot korte- en langetermijnherinneringen in enkele nano-ionische apparaten; niet-vluchtige bipolaire schakelaars; twee terminale atomaire schakelaar logische poorten; en veldprogrammeerbare poortarrays geïntegreerd met CMOS-apparaten.

Deze recensie bevat 77 referenties en 20 cijfers en vormt een onschatbare bron van actuele informatie voor nieuwkomers en experts op dit opwindende onderzoeksgebied.