20. November 2020 (Nanowerk-Neuigkeiten) Wissenschaftler arbeiten an neuen Materialien, um neuromorphe Computer zu entwickeln, deren Design auf dem menschlichen Gehirn basiert. Eine entscheidende Komponente ist ein memristives Gerät, dessen Widerstand von der Geschichte des Geräts abhängt - genau wie die Reaktion unserer Neuronen von vorherigen Eingaben abhängt. Materialwissenschaftler der Universität Groningen analysierten das Verhalten von Strontiumtitanoxid, einem Plattformmaterial für die Memristorforschung, und untersuchten es mit dem 2D-Material Graphen. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift veröffentlicht ACS Angewandte Materialien und Schnittstellen(„Enthüllung temperaturinduzierter Strukturbereiche und Bewegung von Sauerstoffleerstellen in SrTiO3 mit Graphen “). Diese Abbildung zeigt, wie Strontiumtitanoxid mit Graphenstreifen kombiniert wird. Die Kombination eröffnet einen neuen Weg zu memristiven Heterostrukturen, die ferroelektrische Materialien und 2D-Materialien kombinieren. (Bild: Banerjee-Labor, Universität Groningen) Computer sind riesige Taschenrechner voller Schalter mit einem Wert von 0 oder 1. Mit vielen dieser Binärsysteme können Computer sehr schnell Berechnungen durchführen. In anderer Hinsicht sind Computer jedoch nicht sehr effizient. Unser Gehirn verbraucht weniger Energie zum Erkennen von Gesichtern oder zum Ausführen anderer komplexer Aufgaben als ein Standard-Mikroprozessor. Dies liegt daran, dass unser Gehirn aus Neuronen besteht, die viele andere Werte als 0 und 1 haben können, und dass die Ausgabe der Neuronen von der vorherigen Eingabe abhängt.

Sauerstoffleerstellen

Um Memristoren zu erstellen, Schalter mit einer Erinnerung an vergangene Ereignisse, wird häufig Strontiumtitanoxid (STO) verwendet. Dieses Material ist ein Perowskit, dessen Kristallstruktur von der Temperatur abhängt und bei niedrigen Temperaturen zu einem beginnenden Ferroelektrikum werden kann. Das ferroelektrische Verhalten geht oberhalb von 105 Kelvin verloren. Die Domänen und Domänenwände, die diese Phasenübergänge begleiten, sind Gegenstand aktiver Forschung. Es ist jedoch immer noch nicht ganz klar, warum sich das Material so verhält, wie es sich verhält. "Es ist in einer eigenen Liga", sagt Tamalika Banerjee, Professorin für Spintronik funktioneller Materialien am Zernike-Institut für fortgeschrittene Materialien der Universität Groningen. Die Sauerstoffatome im Kristall scheinen der Schlüssel zu seinem Verhalten zu sein. "Sauerstoffleerstellen können sich durch den Kristall bewegen, und diese Defekte sind wichtig", sagt Banerjee. "Darüber hinaus sind Domänenwände im Material vorhanden und bewegen sich, wenn eine Spannung an das Material angelegt wird." Zahlreiche Studien haben versucht herauszufinden, wie dies geschieht, aber ein Blick in dieses Material ist kompliziert. Banerjees Team gelang es jedoch, ein anderes Material zu verwenden, das in einer eigenen Liga liegt: Graphen, die zweidimensionale Kohlenstoffschicht.

Leitfähigkeit

"Die Eigenschaften von Graphen werden durch seine Reinheit definiert", sagt Banerjee, "während die Eigenschaften von STO auf Unvollkommenheiten in der Kristallstruktur zurückzuführen sind." Wir haben festgestellt, dass ihre Kombination zu neuen Einsichten und Möglichkeiten führt. ' Ein Großteil dieser Arbeit wurde von Banerjees Doktorand Si Chen durchgeführt. Sie legte Graphenstreifen auf eine STO-Flocke und maß die Leitfähigkeit bei verschiedenen Temperaturen, indem sie eine Gate-Spannung zwischen positiven und negativen Werten wobbelte. "Wenn es einen Überschuss an Elektronen oder positiven Löchern gibt, der durch die Gate-Spannung erzeugt wird, wird Graphen leitend", erklärt Chen. "Aber an dem Punkt, an dem es sehr kleine Mengen an Elektronen und Löchern gibt, dem Dirac-Punkt, ist die Leitfähigkeit begrenzt." Unter normalen Umständen ändert sich die minimale Leitfähigkeitsposition nicht mit der Wobbelrichtung der Gate-Spannung. In den Graphenstreifen oben auf STO besteht jedoch ein großer Abstand zwischen den minimalen Leitfähigkeitspositionen für den Vorwärtsdurchlauf und den Rückwärtsdurchlauf. Der Effekt ist bei 4 Kelvin sehr deutlich, bei 105 Kelvin oder 150 Kelvin jedoch weniger ausgeprägt. Die Analyse der Ergebnisse sowie theoretische Studien an der Universität Uppsala zeigen, dass Sauerstoffleerstellen in der Nähe der Oberfläche der STO dafür verantwortlich sind.

Memory

Banerjee: 'Die Phasenübergänge unter 105 Kelvin dehnen die Kristallstruktur und erzeugen Dipole. Wir zeigen, dass sich Sauerstoffleerstellen an den Domänenwänden ansammeln und dass diese Wände den Kanal für die Bewegung von Sauerstoffleerstellen bieten. Diese Kanäle sind für das memristive Verhalten in STO verantwortlich. ' Die Akkumulation von Sauerstoffleerstellenkanälen in der Kristallstruktur von STO erklärt die Verschiebung der Position der minimalen Leitfähigkeit. Chen führte auch ein weiteres Experiment durch: „Wir haben die STO-Gate-Spannung bei -80 V gehalten und den Widerstand im Graphen fast eine halbe Stunde lang gemessen. In dieser Zeit beobachteten wir eine Änderung des Widerstands, was auf eine Verschiebung von Loch zu Elektronenleitfähigkeit hinweist. ' Dieser Effekt wird hauptsächlich durch die Ansammlung von Sauerstofffehlstellen an der STO-Oberfläche verursacht. Insgesamt zeigen die Experimente, dass sich die Eigenschaften des kombinierten STO / Graphen-Materials durch die Bewegung von Elektronen und Ionen in unterschiedlichen Zeitskalen ändern. Banerjee: "Durch die Ernte des einen oder anderen können wir die unterschiedlichen Reaktionszeiten nutzen, um memristive Effekte zu erzielen, die mit Kurzzeit- oder Langzeitgedächtniseffekten verglichen werden können." Die Studie schafft neue Einblicke in das Verhalten von STO-Memristoren. "Und die Kombination mit Graphen eröffnet einen neuen Weg zu memristiven Heterostrukturen, die ferroelektrische Materialien und 2D-Materialien kombinieren."

Quelle: https://feeds.nanowerk.com/~/639056032/0/nanowerk/agwb~New-insights-into-memristive-devices-by-combining-incipient-ferroelectrics-and-graphene.php