Мемристоры: открытие, которое изменит мир электроники

Ученые из Университета Рочестера совершили значительный прогресс в разработке мемристоров — устройств, способных "запоминать" свое состояние сопротивления даже после отключения. Эти устройства могут служить не только как цифровая память, но и как строительные блоки будущих нейроморфных компьютеров. Основным препятствием на пути их создания были сложности, связанные с массовым производством и экономической эффективностью.

Особенность этих мемристоров заключается в механизме изменения фаз, который контролирует сопротивление. Традиционная фазово-переключаемая память использует стеклообразный материал, обычно халькогенид , расположенный между двумя контактами. Ток, проходящий через стекло, может изменять его фазу между кристаллическим состоянием с низким сопротивлением и аморфным состоянием с высоким сопротивлением. Это позволяет достигать значительных различий в сопротивлении между двумя состояниями, что делает их привлекательными для устройств памяти. Однако использование этого механизма в тонких двумерных пленках приводило к проблемам — дефекты в стекле могли препятствовать постоянным фазовым изменениям и увеличивать необходимое рабочее напряжение.

Исследователи из Пердьюского университета и Национального института стандартов и технологий в 2019 году предложили новый механизм фазового переключения, более подходящий для тонких пленок. Они использовали дителлурид молибдена, материал из класса дихалькогенидов переходных металлов, способный переходить в несколько разных фаз. Для своего мемристора команда переключала двумерную пленку дителлурида молибдена между полупроводниковой фазой с высоким сопротивлением и полуметаллической фазой с низким сопротивлением. Это оказалось более надежным фазовым изменением для компактного устройства, но требуемое напряжение переключения было довольно высоким — более одного вольта на каждое фазовое изменение, а энергия переключения составляла три фемтоджоуля на переключение — умеренно высокая для устройств такого типа.

Команда Рочестера добавила контролируемое количество деформации к двумерной пленке, заставив ее балансировать на грани между двумя фазами. Это существенно снизило как скорость переключения, так и энергию переключения — всего 0,1 вольта и 120 аттоджоулей для переключения. Кроме того, соотношение сопротивлений между двумя состояниями составило 108, что является самым высоким показателем для любого двумерного мемристора.

Стивен Ву, ассистент-профессор из Университета Рочестера и руководитель данного исследования, отмечает: "Когда вы изготавливаете эти устройства, в подложке всегда накапливаются напряжения и деформации, поэтому вы можете их устранить или использовать их для улучшения вашего устройства."

Прежде чем эти устройства будут готовы к массовому производству, необходимо улучшить несколько других показателей. На данный момент устройство сохраняет состояние чуть более суток и деградирует после нескольких сотен переключений. Команда работает над уменьшением размеров своего мемристора, и предварительные результаты показывают, что производительность улучшается с уменьшением размера. Также ведется работа над повышением долговечности и надежности устройства. Это первая демонстрация устройства, и для его дальнейшего улучшения потребуется дополнительная инженерия. Ву говорит: "Это общие проблемы для этой области, и мы можем воспользоваться существующими идеями для преодоления этих препятствий."