材料純度可能是憶阻器進一步發展的關鍵

全的科學家都在致力于憶阻設備的研究,這些設備能夠以極低的功率運行,并且行為類似于大腦中的神經元。憶阻器,全稱記憶電阻器(Memristor)。來自JülichAachen研究聯盟(JARA)和德國技術集團Heraeus的研究人員現已發現如何系統地控制這些元素的功能行為,而其中材料的純度可能起著至關重要的作用。

人們發現材料組成上的*小差異至關重要:差異如此之小,以至于直到現在*家們都沒有注意到它們。研究人員的設計方向可以幫助提高基于憶阻技術的應用的多樣性,效率,選擇性和可靠性,例如,節能,非易失性存儲設備或神經啟發計算機。

憶阻器被認為是計算機芯片中常規納米電子元件的極有前途的替代品。由于功能的優勢,各地的許多公司和研究機構都迫切地追求其發展。日本NEC公司早在2017年就已經在太空衛星中安裝了*一批原型機?;萜?,英特爾,IBM和三星等許多其他公司都在努力將基于憶阻元素的創新型計算機和存儲設備推向市場。

從根本上說,憶阻器只是“帶記憶的電阻器”,其中高電阻(超高阻值貼片電阻)可以切換為低電阻,然后再切換回低電阻(超低阻值貼片電阻)。原則上,這意味著該裝置是適應性的,類似于生物神經系統中的突觸。PeterGrünberg研究所(PGI-7)的Ilia Valov博士說:“憶阻元件被認為是模擬在大腦上的神經啟發計算機的理想候選者,在深度學習和人工智能方面引起了極大的興趣。”在ForschungszentrumJülich。

在新一期的開放獲取期刊《  科學進展》中, 他和他的團隊描述了如何有選擇地控制憶阻元件的開關和神經形態行為。根據他們的發現,關鍵因素是開關氧化物層的純度。Valov說:“取決于是否使用純度為99.999999%的材料,以及是將一個外來原子引入一千萬個純原子還是一百個原子,憶阻元素的性質會有很大不同。”

材料純度可能是憶阻器進一步發展的關鍵

迄今為止,這種效果一直被*家忽略。它可以非常專門用于設計憶阻系統,其方式類似于在信息技術中摻雜半導體。“外來原子的引入使我們能夠控制薄氧化物層的溶解度和傳輸性能,”賀利氏技術集團的克里斯蒂安·諾伊曼博士解釋說。自從2015年構想出初的想法以來,他就一直在為該項目貢獻材料專業知識。

Valov表示:“近年來,憶阻器件的開發和使用取得了顯著進展,但是,這一進展通常僅憑經驗就可以實現。” 利用他的團隊獲得的見識,制造商現在可以有條不紊地開發憶阻元件,以選擇所需的功能。摻雜濃度越高,隨著輸入電壓脈沖數量的增加和減少,元件的電阻變化就越慢,并且電阻保持越穩定。“這意味著我們找到了一種設計具有不同興奮性的人工突觸類型的方法,” Valov解釋說。

人工突觸的設計規范

大腦學習和保留信息的能力在很大程度上可以歸因于這樣的事實,即經常使用神經元之間的連接會增強。憶阻器件具有不同類型,例如電化學金屬化單元(ECM)或價變化存儲單元(VCM)。當使用這些組件時,電導率隨輸入電壓脈沖數量的增加而增加。這些變化也可以通過施加相反極性的電壓脈沖來逆轉。

JARA研究人員在ECM上進行了系統的實驗,該ECM由銅電極,鉑電極和它們之間的二氧化硅層組成。由于與賀利氏研究人員的合作,JARA科學家獲得了不同類型的二氧化硅:一種純度為99.999999%(也稱為8N二氧化硅),另一種則含有100至10,000 ppm(百萬分之幾)的外來原子。實驗中使用的精確摻雜玻璃是由石英玻璃*家Heraeus Conamic專門開發和制造的,該公司還擁有該程序的專利。銅和質子用作移動摻雜劑,而鋁和鎵用作非揮發性摻雜劑。

記錄切換時間證實了理論

基于他們的一系列實驗,研究人員能夠證明ECM的開關時間隨著摻雜原子數量的變化而變化。如果切換層由8N二氧化硅制成,則憶阻組件僅需1.4納秒即可切換。迄今為止,ECM測得的較快值約為10納秒。通過用高達10,000 ppm的外來原子摻雜組分的氧化物層,將切換時間延長到毫秒范圍。“我們還可以從理論上解釋我們的結果。這有助于我們了解納米級的物理化學過程,并將這些知識應用于實踐中。” Valov說?;谄毡檫m用的理論考慮,并得到實驗結果的支持,其中一些文獻中也有記錄,

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