Wetenschappers werken aan nieuwe materialen om neuromorfe computers te maken met een ontwerp gebaseerd op het menselijk brein. Een cruciaal onderdeel is een memristief apparaat, waarvan de weerstand afhangt van de geschiedenis van het apparaat, net zoals de reactie van neuronen afhangt van eerdere input. Materiaalwetenschappers van de Rijksuniversiteit Groningen analyseerden het gedrag van strontiumtitaniumoxide, een platformmateriaal voor memristoronderzoek en gebruikte het 2D-materiaal grafeen om het te onderzoeken. Op 11 november 2020, de resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift ACS toegepaste materialen en interfaces .

Computers gebaseerd op schakelaars met een waarde van 0 of 1. Met behulp van een groot aantal van deze binaire systemen, computers kunnen zeer snel berekeningen uitvoeren. Echter, in andere opzichten, computers zijn niet erg efficiënt. Hersenen gebruiken minder energie voor het herkennen van gezichten of het uitvoeren van andere complexe taken dan een standaard microprocessor. Dat komt omdat de hersenen bestaan ​​uit neuronen die veel andere waarden kunnen hebben dan 0 en 1 en omdat de output van de neuronen afhangt van eerdere input.

Zuurstof vacatures

Om memristors te maken, schakelaars met een herinnering aan gebeurtenissen uit het verleden, strontiumtitaniumoxide (STO) wordt vaak gebruikt. Dit materiaal is een perovskiet, waarvan de kristalstructuur afhangt van de temperatuur en bij lage temperaturen een beginnend ferro-elektrisch kan worden. Boven 105 Kelvin gaat het ferro-elektrische gedrag verloren. De domeinen en domeinwanden die bij deze faseovergangen horen, zijn onderwerp van actief onderzoek. Toch is het nog steeds niet helemaal duidelijk waarom het materiaal zich gedraagt ​​zoals het doet. "Het is een klasse apart, " zegt Tamalika Banerjee, hoogleraar spintronica van functionele materialen aan het Zernike Institute for Advanced Materials, Rijksuniversiteit Groningen.

De zuurstofatomen in het kristal lijken de sleutel tot zijn gedrag te zijn. "Zuurstofvacatures kunnen door het kristal bewegen en deze defecten zijn belangrijk, " zegt Banerjee. "Bovendien, domeinwanden zijn aanwezig in het materiaal en ze bewegen wanneer er spanning op wordt gezet." Talloze studies hebben geprobeerd uit te vinden hoe dit gebeurt, maar in dit materiaal kijken is ingewikkeld. Echter, Het team van Banerjee is erin geslaagd een ander materiaal te gebruiken dat een klasse apart is:grafeen, de tweedimensionale carbonplaat.

geleidbaarheid

"De eigenschappen van grafeen worden bepaald door zijn zuiverheid, " zegt Banerjee, "terwijl de eigenschappen van STO voortkomen uit onvolkomenheden in de kristalstructuur. We ontdekten dat het combineren ervan leidt tot nieuwe inzichten en mogelijkheden." Veel van dit werk werd uitgevoerd door Banerjee's Ph.D. student Si Chen. Ze plaatste grafeenstrips op een vlok STO en mat de geleidbaarheid bij verschillende temperaturen door een poortspanning tussen positieve en negatieve waarden te vegen. "Als er een overmaat is aan elektronen of de positieve gaten, gecreëerd door de poortspanning, grafeen wordt geleidend, " legt Chen uit. "Maar op het punt waar er zeer kleine hoeveelheden elektronen en gaten zijn, het Dirac-punt, geleidbaarheid is beperkt."

In normale omstandigheden, de minimale geleidbaarheidspositie verandert niet met de zwaairichting van de poortspanning. Echter, in de grafeenstroken bovenop STO, er is een grote scheiding tussen de minimale geleidbaarheidsposities voor de forward sweep en de backward sweep. Het effect is heel duidelijk bij 4 Kelvin, maar minder uitgesproken bij 105 Kelvin of bij 150 Kelvin. Analyse van de resultaten, samen met theoretische studies uitgevoerd aan de Universiteit van Uppsala, toont aan dat zuurstofvacatures nabij het oppervlak van de STO verantwoordelijk zijn.

Geheugen

Banerjee:"De faseovergangen onder 105 Kelvin rekken de kristalstructuur uit, dipolen maken. We laten zien dat zuurstofvacatures zich ophopen aan de domeinwanden en dat deze wanden het kanaal bieden voor de beweging van zuurstofvacatures. Deze kanalen zijn verantwoordelijk voor memristieve gedrag in STO." Accumulatie van zuurstofvacature kanalen in de kristalstructuur van STO verklaart de verschuiving in de positie van de minimale geleidbaarheid.

Chen voerde ook een ander experiment uit:"We hielden de STO-poortspanning op -80 V en maten bijna een half uur de weerstand in het grafeen. In deze periode, we zagen een verandering in weerstand, wat wijst op een verschuiving van de geleidbaarheid van gaten naar elektronen." Dit effect wordt voornamelijk veroorzaakt door de ophoping van zuurstofvacatures aan het STO-oppervlak.

Globaal genomen, de experimenten laten zien dat de eigenschappen van het gecombineerde STO/grafeen materiaal veranderen door de beweging van zowel elektronen als ionen, elk op verschillende tijdschalen. Banerjee:"Door het een of het ander te oogsten, we kunnen de verschillende responstijden gebruiken om memristieve effecten te creëren, die kan worden vergeleken met korte- of langetermijngeheugeneffecten." De studie creëert nieuwe inzichten in het gedrag van STO-memristors. "En de combinatie met grafeen opent een nieuwe weg naar memristieve heterostructuren die ferro-elektrische materialen en 2D-materialen combineren ."