Lietuvių misija – suprasti memristorių

Šiais metais Vilniaus universiteto Fizikos fakulteto mokslininkai su kolegomis iš Šveicarijos pradėjo bendrus memristorių, naujų ir pasaulyje mažai ištirtų objektų, tyrimus. Imtis tokios užduoties mokslininkus paskatino naujos matavimų galimybės. Tyrėjai siekia ambicingo tikslo – kiek įmanoma giliau aiškintis memristorinio persijungimo mechanizmą, naudojant plačiajuostę impedanso spektroskopiją.

PLD kameros viduje auginamas plonas stroncio titanato sluoksnis. Apačioje matomas taikinys, iš kurio aukštos energijos lazerio impulsas išmušė jo daleles. Dalelės kyla į viršų, sukurdamos melsvą plazmos švytėjimą, kol pasiekia įkaitintą padėklą (nuotraukoje šviečiantis kvadratas).<br>T.Šalkaus / VU nuotr.
PLD kameros viduje auginamas plonas stroncio titanato sluoksnis. Apačioje matomas taikinys, iš kurio aukštos energijos lazerio impulsas išmušė jo daleles. Dalelės kyla į viršų, sukurdamos melsvą plazmos švytėjimą, kol pasiekia įkaitintą padėklą (nuotraukoje šviečiantis kvadratas).<br>T.Šalkaus / VU nuotr.
Daugiau nuotraukų (1)

Doc. Tomas Šalkus / VU mokslo populiarinimo žurnalas „Spectrum“

Dec 14, 2016, 9:46 AM, atnaujinta Feb 9, 2018, 10:44 PM

Memristorių atsiradimas

Memristoriaus koncepciją 1971 m. sugalvojo amerikiečių mokslininkas Leonas Ongas Chua. Jis rėmėsi tuo, kad susiejant keturis elektrinius parametrus, t.y. elektrinį krūvį, srovės stiprį, įtampą ir magnetinį srautą, jau žinomus elementus – rezistorių, kondensatorių ir ritę – galėtų papildyti dar vienas elementas. Šis elementas turėtų prisiminti per jį pratekėjusį krūvį, todėl jis buvo pavadintas memristoriumi (angl. memmory resistor).

Deja, memristorius ilgą laiką išliko tik popieriuje. Jis buvo pavadintas „trūkstamu elementu“ ir iki 2008 m. beveik pamirštas, kai „HP labs“ vėl visiems priminė memristorinį elementą, paskelbdami darbą, kuriame teigė pagaminę elementą, atitinkantį L.O.Chua apibrėžimą. Savo prietaisui sukurti „HP labs“ tyrėjai panaudojo ploną TiO2 sluoksnį, kurio varža priklausė nuo to, kokia įtampa ir kiek laiko buvo prie šio sluoksnio prijungta. Taigi plonas titano oksido sluoksnis turėjo atmintį.

Šis darbas davė didelį impulsą eksperimentatoriams. Jie ėmė bandyti įvairias medžiagas ir ieškoti memristorinių efektų. Paaiškėjo, kad memristorių galima pagaminti iš daugelio oksidų, sulfidų ir kitų junginių. Europos medžiagotyrininkų asociacijos konferencijoje netgi buvo iškeltas klausimas, ar apskritai egzistuoja medžiaga, kuri, tinkamai paruošta, nesielgtų kaip memristorius.

Šiek tiek memristorių fizikos

Memristorinio efekto buvimą arba nebuvimą nurodo grafikas, gaunamas atlikus paprastą eksperimentą su tiriamu elementu – tai per jį tekančios srovės priklausomybė nuo įtampos, fizikų vadinama voltamperine charakteristika.

Panagrinėkime tokį eksperimentą. Prijunkime prie tiriamo elemento įtampos šaltinį ir tolygiai didinkime įtampą iki tam tikros vertės, tada mažinkime iki tokios pačios, tačiau neigiamos vertės, tada vėl didinkime ir t.t. Įtampos kitimas laike primena pjūklą. Ampermetru reikia matuoti per elementą tekančią srovę ir atidėti jos priklausomybę nuo pridėtos įtampos. Šis eksperimentas yra vadinamas cikline voltametrija.

Memristorius turi ypatingą atsaką į pjūklo formos įtampos kitimą, jo voltamperinėje charakteristikoje visada yra matoma histerezė – didinant ir mažinant įtampą gaunamos skirtingos per elementą tekančios srovės vertės. Atskiras grafiko dalis galima paaiškinti taip: tik prijungus įtampą ir ją didinant srovė auga tiesiškai, t.y. iki tam tikros kritinės įtampos memristorius elgiasi kaip rezistorius ir jam galima pritaikyti Omo dėsnį, o jo varža yra palyginti didelė. Šioje srityje jis vadinamas „išjungtu“.

Pasiekus kritinę įtampą elementas ima keistis. Jo varža staigiai mažėja ir esant beveik tokiai pačiai įtampai matome didelį elektros srovės šuolį. Taigi memristorius įsijungia, jo varža yra maža. Įjungtas memristorius gali išlikti gana ilgą laiką, idealiu atveju tol, kol prie jo bus prijungta didelė neigiama įtampa, kai vėl yra atkuriama didelės varžos būsena.

Šiuo atveju memristoriaus voltamperinė charakteristika yra nesimetrinė, t.y. esant vienam įtampos poliškumui jį tegalima įjungti, o esant kitam – išjungti. Toks atvejis dažnai aptinkamas praktiškai, nes memristoriai dažniausiai ir fiziškai yra nesimetriniai.

Kartais specialiai yra formuojami skirtingi elektrodai, tačiau dažniausiai memristoriui pagaminti naudojami ploni sluoksniai, kurie formuojami ant padėklo, taigi natūraliai gauname vieną elektrodą, kuris turi sąlytį su oru, o kitas elektrodas yra gerai izoliuotas nuo atmosferos. Memristoriaus nesimetriškumui parodyti elemento simbolyje vienas jo galas yra pastorintas.

Įdomu tai, kas nėra iki galo suprasta

Memristoriai yra gaminami suformuojant plonus sluoksnius iš įvairių oksidų (pavyzdžiui, TiO2, SiO2, CuO, NiO, Fe2O3 arba sudėtingesnių, tokių kaip SrTiO3-δ, (La, Sr) MnO3, BaTiO3), vario, sidabro sulfidų (Cu2S, Ag2S) arba kitokių junginių. Medžiagų pasirinkimas išties labai platus, o daugelis iš jų yra joniniai laidininkai. Memristorių išoriniu elektriniu lauku (prijungus įtampą) galima perjungti iš nelaidžios būsenos į laidžią ir atvirkščiai. Šis persijungimas iš vienos būsenos į kitą yra labai įdomus mokslininkams, nes... jis nėra iki galo suprastas.

Yra sukurta keletas koncepcijų persijungimui paaiškinti. Populiariausios teorijos yra dvi. Viena jų teigia, kad ploname, palyginti nelaidžiame sluoksnyje, esant dideliems elektriniams laukams, memristorius įsijungia susiformavus laidžioms gijoms, kurios prijungus priešingą įtampą nutrūksta, taip perjungdamos memristorių atgal į nelaidžią būseną. Norint pirmą kartą įjungti memristorius, pagamintus iš kai kurių junginių sluoksnių, reikia ilgai laikyti prijungtą įtampą, t.y. atlikti elektrinį suformavimą. Vėliau memristorių galima įjungti ir išjungti greitai, nes tereikia jau suformuotą laidžią giją nutraukti arba sujungti tik nedidelėje elemento srityje. Tai tarsi ir yra pastarojo mechanizmo patvirtinimas.

Kita teorija prognozuoja, kad, paveikus ploną sluoksnį didele įtampa, elektrodo ir oksido sandūroje sukuriama daug teigiamą krūvį turinčių deguonies vakansijų, šį krūvį kompensuoja laisvieji elektronai. Krūvininkų, sukurtų plonuose aktyviųjų elementų sluoksniuose, užtenka tam, kad memristoriaus varža smarkiai sumažėtų. Šį mechanizmą patvirtina tai, kad įjungtos būsenos memristorių varža tiesiškai priklauso nuo kontakto ploto.

Yra ir daugiau eksperimentų, paremiančių vieną ar kitą persijungimo mechanizmo teoriją, tačiau dauguma tyrimų yra netiesioginiai.

Nemažai mokslininkų tiki, kad realiai vienu metu veikia abu mechanizmai. Visi sutaria tik dėl to, kad memristoriuose yra ypač svarbus jonų pernašos reiškinys.

Kietųjų elektrolitų ir memristorių tyrimai

Kietieji elektrolitai – tai ypatingos medžiagos, kuriose, joms esant kietos būsenos, vyksta joninė pernaša, t.y. elektros krūvį perneša katijonai arba anijonai. Vilniaus universiteto Fizikos fakultete kietieji elektrolitai tyrinėjami jau nuo 1977 m., parašyta ne viena daktaro disertacija, kuriose nagrinėjamas sidabro, ličio, natrio, deguonies, fluoro, vandenilio laidumas kietuosiuose kūnuose. Buvo vykdyti moksliniai projektai, kai šios medžiagos taikytos baterijoms, kuro gardelėms ir dujų jutikliams gaminti. Šių taikymų pagrindas – joninis medžiagų laidumas, todėl jokie kietųjų elektrolitų taikymai neapsieina be joninio laidumo bei kitų elektrinių savybių tyrimo.

Kietųjų elektrolitų tyrimo metodiką itin išplėtojo prof. Algimantas Kežionis. Jis sukūrė keturis naujus ir unikalius impedanso spektrometrus. Jais realizuojami matavimai tiek dviejų, tiek keturių elektrodų metodais, aprėpiamas itin platus elektrinių laukų dažnių diapazonas (nuo milihercų iki 10 GHz) ir yra galimybė medžiagas matuoti esant labai aukštoms temperatūroms – net iki 1000 °C.

Platus dažnių diapazonas leidžia ne tik pamatuoti kietųjų elektrolitų joninio laidumo vertes, bet ir daugiau sužinoti apie medžiagų mikrostruktūros įtaką jų elektrinėms savybėms, atlikti įdomius fundamentalius skaičiavimus. Kuro gardelėms gaminti yra naudojami deguonies jonų kietieji elektrolitai, kurie efektyviai veikia esant aukštoms temperatūroms (700 °C ir daugiau). Būtent tokioms medžiagoms tyrinėti ir reikalingi impedanso spektrometrai.

Memristorių tyrimai pradėti tik šiais metais, vykdant bendrą projektą su mokslininkais iš Šveicarijos federalinio technologijos instituto Ciuriche (ETH Zürich). Imtis naujų ir apskritai pasaulyje mažai ištirtų objektų paskatino naujos matavimų galimybės ir ambicingas projekto tikslas – kiek įmanoma giliau aiškintis memristorinio persijungimo mechanizmą, naudojant plačiajuostę impedanso spektroskopiją. Iš šveicarų, kaip iš itin gerų technologų, mokėmės plonų sluoksnių auginimo ypatybių. Tam buvo naudojamas impulsinio lazerinio nusodinimo (angl. Pulsed Laser Deposition – PLD) metodas. Įsisavinę pagrindinius technologinių procesų principus tikimės ateityje ir patys auginti, o vėliau tirti plonuosius kietųjų elektrolitų sluoksnius.

Kur pritaikyti memristorių?

Mums žinomos „flash“ tipo elektroninės atminties tobulinimas artėja prie savo ribų. Joje informacijos tankis didinamas tik dėl elementų miniatiūrizacijos. Aišku, kad ir toliau norėdami progreso nebegalėsime tik smulkinti tranzistorinių prietaisų. Reikės rasti naują technologiją. Viena alernatyvų yra feromagnetinė atmintis (FeRAM), kita galėtų būti rezistorinė, arba memristorinė, atmintis (ReRAM).

Praktikoje memristoriai turėtų veikti impulsiniu režimu, t.y. reikia juos perjungti kaip galima trumpesniais įtampos impulsais. Memristoriams perjungti užtenka vos 10 ns. Informacijos išsilaikymas prognozuojamas daugiau nei dešimčiai metų, o perrašymų skaičius – net 1016 kartų. Palyginimui – „flash“ tipo atmintis gali būti perrašoma tik 105 kartų, o įrašymo greitis yra net 100 kartų mažesnis.

Į memristorinį elementą, kurio smulkiausių detalių dydį galima sumažinti net iki 25 nm, galima įrašyti ne tik dvejetainį skaičių (įjungta ir išjungta būsenos), tačiau ir keletą skirtingų lygių. Be to, pramoninei gamybai galima panaudoti ir dabar jau naudojamas medžiagas, tokias kaip SrTiO3, SiO2, TiO2, Ta2O5 arba HfO2. Minėti memristorių veikimo parametrai kol kas pasiekiami tik mokslinėse laboratorijose, tačiau jie teikia vilčių.

Dar perspektyvesnė sritis galėtų būti memristorių taikymai analoginėje technikoje. Nepamirškime, kad biologiniai objektai nėra skaitmeniniai, tačiau kompiuterius savo mąstymu nesunkiai aplenkia. Memristoriai pagal savo veikimo principą yra artimi gyviems organizmams, tad galbūt juos būtų galima panaudoti analoginei atminčiai, analoginiams skaičiavimams, iš jų modeliuoti neuroninius tinklus, chaotines grandines, panaudoti kvantiniuose kompiuteriuose ir pan.

Memristoriai šiuo metu yra dar tik kuriami, nors keletas kompanijų jau yra pagaminusios komercinių produktų („Panasonic & IMEC“, „Adesto“). Sunku pasakyti, ar jie išplis. Viena vertus, juos gali dar tinkamai neištobulintus išstumti iš rinkos kita technologija, kaip tai nutiko, pavyzdžiui, su elektrochrominiais ekranais. Jų veikimo principas buvo pagrįstas medžiagų spalvų pakitimais jose vykstant joninei pernašai. Tyrėjai labai susidomėjo elektrochrominėmis medžiagomis, tačiau, išplėtojus skystųjų kristalų technologiją į sudėtingus cheminius junginius, pramonė į jas ir pažiūrėti nebenorėjo. Kita vertus, memristoriai gali rasti tokią nišą, apie kurią šiuo metu gal net nesusimąstome.

Tad, norėdami juos geriau suprasti, mokslininkai ir toliau vykdys tyrimus.

UAB „Lrytas“,
A. Goštauto g. 12A, LT-01108, Vilnius.

Įm. kodas: 300781534
Įregistruota LR įmonių registre, registro tvarkytojas:
Valstybės įmonė Registrų centras

lrytas.lt redakcija news@lrytas.lt
Pranešimai apie techninius nesklandumus pagalba@lrytas.lt

Atsisiųskite mobiliąją lrytas.lt programėlę

Apple App Store Google Play Store

Sekite mus:

Visos teisės saugomos. © 2024 UAB „Lrytas“. Kopijuoti, dauginti, platinti galima tik gavus raštišką UAB „Lrytas“ sutikimą.