Совместная разработка ученых физического факультета и Института ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ и специалистов из Курчатовского института позволила создать способ повышения эффективности мемристоров, использующих оксиды металлов, посредством облучения альфа-частицами. Исследование проводилось в рамках деятельности Междисциплинарной научно-образовательной школы МГУ «Фотонные и квантовые технологии. Цифровая медицина». Результаты опубликованы в журнале Applied Physics Letters.
Мемристор представляет собой резистор, у которого есть свойство памяти: его сопротивление определяется тем, какой электрический ток через него проходил. Эти компоненты играют важную роль в создании энергосберегающих систем хранения данных и нейроморфных вычислениях – технологиях, моделирующих работу человеческого мозга. Мемристоры способны одновременно хранить и обрабатывать информацию, что делает их перспективным элементом для разработки новых устройств искусственного интеллекта. Однако для внедрения мемристоров в реальные устройства необходимо решить ряд вопросов: гарантировать стабильность работы при большом количестве циклов переключения, расширить диапазон устойчивых значений сопротивления (состояний мемристора) и обеспечить возможность создания мемристоров с заранее заданным распределением этих состояний. Под термином «стационарное состояние» подразумевается состояние мемристора с определенным сопротивлением, которое он способен поддерживать в течение продолжительного периода.
Сотрудники МГУ разработали метод, основанный на управляемом создании дефектов посредством радиационного воздействия на структуру мемристора. Эксперименты показали, что облучение альфа-частицами мемристоров, изготовленных на основе TiOX/Ti, приводит к существенному улучшению их рабочих параметров. В результате воздействия увеличилось число стабильных резистивных состояний почти в три раза, а соотношение сопротивлений в состоянии с высоким и низким сопротивлением (ROFF/RON) – более чем в два раза. Также была отмечена повышенная долговечность устройства: число циклов переключения увеличилось в полтора раза.
Анализ, проведенный учеными, показал, что воздействие альфа-частиц вызывает появление дополнительных кислородных вакансий в слое оксида титана – дефектов, которые выступают в роли центров зарождения проводящих каналов при прохождении электрического тока через материал. При этом, этот процесс можно контролировать: дефекты формируются в определенных областях и в заданном количестве, в отличие от их случайного расположения в стандартных образцах. Это установлено как с помощью прямой визуализации с использованием просвечивающей электронной микроскопии и элементного анализа, так и посредством компьютерного моделирования методом Монте-Карло. Данный способ, позволяющий осуществлять точное управление созданием дефектов в устройстве, известен как инженерия дефектов.
«Для изменения структуры оксида титана, в ходе работы применялся изотоп плутония-239, который испускает альфа-частицы с требуемой плотностью потока и энергией, составляющей приблизительно 5 МэВ. В результате модификации в структуре оксида титана образовалось около 10¹⁶ вакансий кислорода на 1 см 3, — по словам старшего научного сотрудника лаборатории ионно-пучковых нанотехнологий НИИЯФ МГУ Юрий Балакшин. — Согласно проведенному моделированию, даже незначительное количество созданных дефектов может существенно повлиять на характеристики мемристора ».
Результаты, которые удалось получить, имеют особое значение для прогресса нейроморфных систем – вычислительных архитектур, воспроизводящих принципы функционирования головного мозга. « Количество устойчивых состояний, которые может удерживать мемристор, определяет его «пластичность» — то есть способность к обучению, сопоставимая с синаптической пластичностью, наблюдаемой в нейронах , — по мнению автора работы, доцента кафедры общей физики и наноэлектроники физического факультета МГУ Александр Ильин. — Благодаря этому подобные устройства представляются многообещающими для аппаратной реализации многослойных нейронных сетей ».
Данный подход радиационного улучшения также перспективен для создания энергосберегающих запоминающих устройств и вычислительных элементов нового поколения. Возможность контролируемого создания дефектов позволяет точно настраивать параметры мемристоров после их производства, исключая изменение состава материалов или конструкции. Это значительно расширяет технологические перспективы при разработке гибких и адаптивных электронных систем.
Информация предоставлена пресс-службой МГУ