材料纯度可能是忆阻器进一步发展的关键

全的科学家都在致力于忆阻设备的研究,这些设备能够以极低的功率运行,并且行为类似于大脑中的神经元。忆阻器,全称记忆电阻器(Memristor)。来自JülichAachen研究联盟(JARA)和德国技术集团Heraeus的研究人员现已发现如何系统地控制这些元素的功能行为,而其中材料的纯度可能起着至关重要的作用。

人们发现材料组成上的*小差异至关重要:差异如此之小,以至于直到现在*家们都没有注意到它们。研究人员的设计方向可以帮助提高基于忆阻技术的应用的多样性,效率,选择性和可靠性,例如,节能,非易失性存储设备或神经启发计算机。

忆阻器被认为是计算机芯片中常规纳米电子元件的极有前途的替代品。由于功能的优势,各地的许多公司和研究机构都迫切地追求其发展。日本NEC公司早在2017年就已经在太空卫星中安装了*一批原型机。惠普,英特尔,IBM和三星等许多其他公司都在努力将基于忆阻元素的创新型计算机和存储设备推向市场。

从根本上说,忆阻器只是“带记忆的电阻器”,其中高电阻(超高阻值贴片电阻)可以切换为低电阻,然后再切换回低电阻(超低阻值贴片电阻)。原则上,这意味着该装置是适应性的,类似于生物神经系统中的突触。PeterGrünberg研究所(PGI-7)的Ilia Valov博士说:“忆阻元件被认为是模拟在大脑上的神经启发计算机的理想候选者,在深度学习和人工智能方面引起了极大的兴趣。”在ForschungszentrumJülich。

在新一期的开放获取期刊《  科学进展》中, 他和他的团队描述了如何有选择地控制忆阻元件的开关和神经形态行为。根据他们的发现,关键因素是开关氧化物层的纯度。Valov说:“取决于是否使用纯度为99.999999%的材料,以及是将一个外来原子引入一千万个纯原子还是一百个原子,忆阻元素的性质会有很大不同。”

材料纯度可能是忆阻器进一步发展的关键

迄今为止,这种效果一直被*家忽略。它可以非常专门用于设计忆阻系统,其方式类似于在信息技术中掺杂半导体。“外来原子的引入使我们能够控制薄氧化物层的溶解度和传输性能,”贺利氏技术集团的克里斯蒂安·诺伊曼博士解释说。自从2015年构想出初的想法以来,他就一直在为该项目贡献材料专业知识。

Valov表示:“近年来,忆阻器件的开发和使用取得了显着进展,但是,这一进展通常仅凭经验就可以实现。” 利用他的团队获得的见识,制造商现在可以有条不紊地开发忆阻元件,以选择所需的功能。掺杂浓度越高,随着输入电压脉冲数量的增加和减少,元件的电阻变化就越慢,并且电阻保持越稳定。“这意味着我们找到了一种设计具有不同兴奋性的人工突触类型的方法,” Valov解释说。

人工突触的设计规范

大脑学习和保留信息的能力在很大程度上可以归因于这样的事实,即经常使用神经元之间的连接会增强。忆阻器件具有不同类型,例如电化学金属化单元(ECM)或价变化存储单元(VCM)。当使用这些组件时,电导率随输入电压脉冲数量的增加而增加。这些变化也可以通过施加相反极性的电压脉冲来逆转。

JARA研究人员在ECM上进行了系统的实验,该ECM由铜电极,铂电极和它们之间的二氧化硅层组成。由于与贺利氏研究人员的合作,JARA科学家获得了不同类型的二氧化硅:一种纯度为99.999999%(也称为8N二氧化硅),另一种则含有100至10,000 ppm(百万分之几)的外来原子。实验中使用的精确掺杂玻璃是由石英玻璃*家Heraeus Conamic专门开发和制造的,该公司还拥有该程序的专利。铜和质子用作移动掺杂剂,而铝和镓用作非挥发性掺杂剂。

记录切换时间证实了理论

基于他们的一系列实验,研究人员能够证明ECM的开关时间随着掺杂原子数量的变化而变化。如果切换层由8N二氧化硅制成,则忆阻组件仅需1.4纳秒即可切换。迄今为止,ECM测得的较快值约为10纳秒。通过用高达10,000 ppm的外来原子掺杂组分的氧化物层,将切换时间延长到毫秒范围。“我们还可以从理论上解释我们的结果。这有助于我们了解纳米级的物理化学过程,并将这些知识应用于实践中。” Valov说。基于普遍适用的理论考虑,并得到实验结果的支持,其中一些文献中也有记录,

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