Ученые из Университета Южной Калифорнии представили инновационный электронный чип памяти, который способен функционировать при температурах до 700 градусов Цельсия. Это существенно превосходит возможности стандартной электроники. В процессе тестирования чип памяти не выявил признаков приближения к своему пределу надежности. Специалисты подчеркнули, что 700 градусов Цельсия являлись максимальным температурным показателем, доступным для их оборудования.
Тепло является принципиальным ограничением для электроники, применяемой в смартфонах, автомобилях, спутниках и промышленных системах. Значительная часть стандартных электронных компонентов выходит из строя при температурах, достигающих примерно 200 градусов Цельсия, что создает существенные трудности для специалистов, работающих в условиях повышенных температур, например, при освоении космического пространства, геотермальном бурении и в ядерных энергетических системах. « С этим можно смело сопоставить революцию. Это самая эффективная высокотемпературная память, когда-либо созданная », — пояснил Джошуа Янг, исследователь, принимавший участие в проекте.
Представленное исследовательской группой устройство – это мемристор, представляющий собой наноразмерный компонент, способный хранить информацию и выполнять вычисления. Его структура включает два электродных слоя, разделенных тонким слоем керамики. Для создания мемристора команда использовала вольфрам в качестве верхнего электрода, оксид гафния – в качестве керамической прослойки, и графен – в качестве нижнего электрода. Вольфрам был выбран благодаря самой высокой температуре плавления среди всех металлов, а графен, представляющий собой однослойную решетку из атомов углерода, способен противостоять экстремально высоким температурам без разрушения.
Чип памяти, полученный в результате разработки, обладает выдающимися параметрами. Он сохраняет информацию более 50 часов при температуре 700 градусов Цельсия, не требуя перезаписи. Также, он способен выдержать более миллиарда циклов переключения при такой же температуре и функционирует при напряжении всего 1,5 вольта, демонстрируя скорость переключения, измеряемую десятками наносекунд.
По мнению исследователей, это открытие произошло в значительной степени случайно. В стандартных электронных устройствах тепловое воздействие вызывает перемещение атомов металла из верхнего электрода через керамический слой к нижнему, где они необратимо соединяются, вызывая короткое замыкание и выход устройства из строя. Однако графен остановил этот процесс. Химическая связь на поверхности между вольфрамом и графеном не допустила присоединения атомов вольфрама к слою графена. Не найдя точки опоры, атомы продолжили миграцию, избежав образования короткого замыкания и предотвратив отказ устройства даже при воздействии высоких температур.
Разработка электроники, способной функционировать при температурах, превышающих 500 градусов Цельсия, представляет собой давнюю задачу для космических агентств, особенно в связи с миссиями к Венере, где поверхностные температуры чрезвычайно высоки, а существующая кремниевая электроника выходит из строя еще до достижения этих показателей. Помимо космических исследований, данная технология может быть использована в системах геотермального бурения, ядерной энергетике и в промышленных условиях, где электроника подвергается воздействию мощных источников тепла. Даже в бытовых приложениях, например, в автомобильной электронике, устройства, разработанные для экстремальных температур, будут демонстрировать повышенную надежность при стандартных условиях эксплуатации.
Мемристоры также представляют интерес для использования в сфере искусственного интеллекта. Поскольку многие задачи ИИ связаны с матричным умножением – ресурсоемким процессом для стандартных цифровых компьютеров, мемристоры способны физически выполнять подобные вычисления, используя свои электрические свойства. Это открывает возможности для более оперативной и экономичной обработки данных в системах искусственного интеллекта.
Исследование было в журнале Science.