Nouvelles perspectives sur les dispositifs memristifs en combinant des ferroélectriques naissants et du graphène


Nouvelles perspectives sur les dispositifs memristifs en combinant des ferroélectriques naissants et du graphène

Cette figure montre comment l’oxyde de titane de strontium est combiné avec des bandes de . La combinaison ouvre une nouvelle voie vers des hétérostructures memristives qui combinent des matériaux ferroélectriques et des matériaux 2D. Crédit photo: Banerjee Lab, Université de Groningen

Les scientifiques travaillent de nouveaux matériaux pour créer des ordinateurs neuromorphes avec une conception basée sur le cerveau humain. Un composant crucial est un appareil memristif, dont la résistance dépend de l’historique de l’appareil – tout comme la réponse des neurones dépend des entrées précédentes. Des scientifiques des matériaux de l’Université de Groningen ont analysé le comportement de l’oxyde de titane de strontium, un matériau de plate-forme pour la recherche sur les memristors, et ont utilisé le matériau 2-D graphène pour l’étudier. Les résultats ont été publiés dans la revue le 11 novembre 2020 Matériaux appliqués et interfaces ACS.

Ordinateurs basés sur des commutateurs avec une valeur de 0 ou 1. Beaucoup de ces systèmes binaires permettent aux ordinateurs d’effectuer des calculs très rapidement. Cependant, les ordinateurs ne sont pas très efficaces à d’autres égards. Les cerveaux utilisent moins d’énergie pour reconnaître les visages ou effectuer d’autres tâches complexes qu’un microprocesseur standard. En effet, le cerveau est composé de neurones, qui peuvent avoir de nombreuses valeurs autres que 0 et 1, et la sortie des neurones dépend de l’entrée précédente.

Offres d’emploi oxygène

L’oxyde de titane de strontium (STO) est souvent utilisé pour créer des memristors, des interrupteurs avec un rappel d’événements passés. Ce matériau est une pérovskite dont la structure cristalline dépend de la température et peut, à basse température, devenir un ferroélectrique naissant. Le comportement ferroélectrique est perdu au-dessus de 105 Kelvin. Les domaines et murs de domaines qui accompagnent ces transitions de phase font l’objet de recherches actives. Cependant, il n’est pas encore tout à fait clair pourquoi le matériau se comporte comme il le fait. «C’est une catégorie à part», déclare Tamalika Banerjee, professeur de spintronique des matériaux fonctionnels à l’Institut Zernike pour les matériaux avancés de l’Université de Groningen.

Les atomes d’oxygène dans le cristal semblent être la clé de son comportement. «Les lacunes d’oxygène peuvent se déplacer à travers le cristal, et ces défauts sont importants», explique Banerjee. « De plus, des parois de domaine sont présentes dans le matériau et se déplacent lorsqu’une tension est appliquée au matériau. » De nombreuses études ont tenté de savoir comment cela se fait, mais l’examen de ce matériel est compliqué. Cependant, l’équipe de Banerjee a réussi à utiliser un matériau différent qui est dans une ligue à part: le graphène, la couche de carbone bidimensionnelle.

conductivité

« Les propriétés du graphène sont définies par sa pureté », dit Banerjee, « tandis que les propriétés du STO sont dues aux imperfections de la structure cristalline. Nous avons constaté que leur combinaison conduit à de nouvelles perspectives et possibilités. » Une grande partie de ce travail a été réalisée par Banerjees Ph.D. Étudiant Si Chen. Elle a placé des bandes de graphène sur un flocon STO et a mesuré la conductivité à différentes températures en balayant une tension de grille entre des valeurs positives et négatives. «Lorsqu’il y a un excès d’électrons ou de trous positifs créés par la tension de grille, le graphène devient conducteur», explique Chen. « Mais au où il y a de très petites quantités d’électrons et de trous, le point de Dirac, la conductivité est limitée. »

Dans des circonstances normales, la position de conductivité minimale ne change pas avec le sens de balayage de la tension de grille. Dans les bandes graphiques au-dessus de STO, cependant, il existe un grand écart entre les positions de conductivité minimale pour la passe avant et la passe arrière. L’effet est très net à 4 Kelvin, mais moins prononcé à 105 Kelvin ou 150 Kelvin. L’analyse des résultats et les études théoriques à l’Université d’Uppsala montrent que les lacunes d’oxygène près de la de la STO sont responsables.

Mémoire

Banerjee: « Les transitions de phase en dessous de 105 Kelvin étirent la structure cristalline et créent des dipôles. Nous montrons que les lacunes d’oxygène s’accumulent sur les parois du domaine et que ces parois fournissent le canal pour le mouvement des lacunes d’oxygène. Ces canaux sont responsables du comportement memristive dans STO. » L’accumulation de canaux de manque d’oxygène dans la structure cristalline de STO explique le de la position de conductivité minimale.

Chen a également mené une autre expérience: «Nous avons maintenu la tension de grille STO à -80 V et mesuré la résistance dans le graphique pendant près d’une demi-heure. Pendant cette période, nous avons observé un changement de résistance, qui est dû à un déplacement du trou à La conductivité électronique indique. «Cet effet est principalement causé par l’accumulation de lacunes d’oxygène sur la surface STO.

Dans l’ensemble, les expériences montrent que les propriétés du matériau combiné STO / graphène changent en raison du mouvement des électrons et des ions à différentes échelles de temps. Banerjee: « En récoltant l’un ou l’autre, nous pouvons utiliser les différents temps de réaction pour obtenir des effets de mémoire qui peuvent être comparés à des effets de mémoire à court ou à long terme. » L’étude crée de nouvelles perspectives sur le comportement des memristors STO. « Et la combinaison avec le graphène ouvre une nouvelle voie vers des hétérostructures memristives qui combinent des matériaux ferroélectriques et des matériaux 2D. »


Graphiques: tout est question de garnitures


Plus d’information:
Si Chen et al., Exposition des domaines structurels induits par la température et mouvement des lacunes d’oxygène dans SrTiO3 avec du graphène, Matériaux appliqués et interfaces ACS (2020). DOI: 10.1021 / acsami.0c15458

Fourni par l’Université de Groningen

Citation: New insights in memristive devices through the combination of naissain ferroelectrics and graphene (2020, 23 novembre), consulté le 24 novembre 2020 sur https://phys.org/news/2020-11-insights-memristive-devices-combining- incipient.html

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