Специалисты из Университета ИТМО и Харбинского инженерного университета создали устойчивый перовскитный наномемристор, демонстрирующий стабильность свыше 1500 циклов записи и отсутствие деградации в течение нескольких месяцев. При этом удалось достичь выдающихся показателей по размеру и энергопотреблению – от 70 до 80 нановатт для монокристалла перовскита размером от 130 до 160 нанометров. Данная разработка позволит создавать более скоростные и экономичные ультракомпактные процессоры, предназначенные для нейроморфных вычислений. Исследование проводилось при поддержке гранта РНФ и программы «Приоритет 2030, опубликовано в журнале Opto-Electronic Advances.
Мемристоры ранее представляли собой исключительно теоретическую концепцию. Их практическая реализация стала возможной лишь в 2008 году благодаря прогрессу в области производства сверхчистых полупроводниковых материалов. Сопротивление мемристора изменяется под воздействием величины и направления тока, что позволяет использовать его для хранения данных или для энергоэффективной обработки информации, поскольку он потребляет меньше энергии, чем традиционные кремниевые транзисторы. Данные характеристики позволяют создавать системы хранения и обработки информации с повышенной энергоэффективностью, включая нейроморфные вычисления, обработку сигналов в системах искусственного интеллекта, машинного зрения, акустико-речевых системах и биоинтерфейсах.
В настоящее время перовскиты рассматриваются как многообещающие материалы для разработки новой микроэлектроники, в частности, мемристоров. Тем не менее, перовскитные мемристоры пока не вполне соответствуют требованиям, предъявляемым к устройствам для практического использования, из-за их низкой стабильности. Причина заключается в особенностях структуры данных материалов: поликристаллические пленки перовскитов, которые используют многие исследователи, характеризуются наличием границ между кристаллитами. Эти границы позволяют влаге и кислороду проникать внутрь, что приводит к химическому разрушению перовскита, а также вызывают неконтролируемую миграцию ионов металлов из электродов. В результате, при одинаковом приложенном напряжении наблюдается непостоянство переключения состояния мемристора.
Сотрудники ИТМО, ФТИ Иоффе и Харбинского инженерного университета разработали принципиально новый перовскитный мемристор, способный выдерживать свыше 1500 циклов перезаписи без признаков деградации даже после нескольких месяцев эксплуатации в условиях комнатной температуры. Обеспечение высокой надежности и долговечности устройства стало возможным благодаря применению омических инертных контактов и использованию монокристаллических нанокубов из цезий бромида свинца (CsPbBr3) в качестве полупроводника. Данный перовскит, основанный на галогениде свинца, отличается особой химической стойкостью. Кроме того, монокристаллическая структура нанокуба способствует стабилизации электрохимических характеристик мемристора при каждом цикле перезаписи. Перовскитный монокуб расположен между оксидом индия олова и алмазом, легированным бором – это химически инертные электроды, которые также поддерживают стабильность процесса переключения мемристора.
Благодаря проведенным исследованиям, удалось добиться минимальных показателей энергопотребления и уменьшить габариты перовскитного мемристора — от 70 до 80 нановатт для монокристалла размером 130–160 нанометров. Сравнимые перовскитные устройства потребляют от 200 до 35 тысяч нановатт. Полученные характеристики позволяют создать очень компактное и экономичное в плане энергопотребления решение. Кроме того, мемристор переключается менее чем за миллисекунду, а разница в величине тока достигает примерно 4–5 порядков, что обеспечивает удобство и скорость обработки сигнала.
«Имитационное моделирование поведения зарядов внутри нанокристалла показало, что именно их накопление вблизи границы с контактом обуславливает эффект мемристивности. Фактически, это скопление зарядов формирует дипольный момент, который изменяет энергетический барьер в области, где перовскит контактирует с металлом. Благодаря этому явлению мемристор способен изменять своё сопротивление» , — по словам автора исследования, старшего научного сотрудника ИТМО и Нового физтеха Александра Фурасова.
Новая технология позволит создавать более быстрые и экономичные ультракомпактные нейроморфные процессоры, предназначенные для решения задач искусственного интеллекта и машинного обучения. Также, отдельные мемристоры могут быть легко объединены в масштабируемые структуры (кроссбары) для практической реализации логических функций и переключения полупроводниковых элементов. В перспективе исследователи намерены провести опытные работы с массивом монокристаллических нанокубов перовскита и изучить другие материалы в качестве полупроводников.
Данная работа выполнена при поддержке программы «Приоритет 2030» и финансируется грантом Российского научного фонда № 24-62-00022.
Материалы и изображения поступили из пресс-службы Университета ИТМО