20 nov 2020 (Nanowerk Nieuws) Wetenschappers werken aan nieuwe materialen om neuromorfe computers te creëren, met een ontwerp gebaseerd op het menselijk brein. Een cruciaal onderdeel is een memristief apparaat, waarvan de weerstand afhangt van de geschiedenis van het apparaat – net zoals de reactie van onze neuronen afhangt van eerdere input. Materiaalwetenschappers van de Rijksuniversiteit Groningen analyseerden het gedrag van strontium-titaanoxide, een platformmateriaal voor memristoronderzoek, en gebruikten het 2D-materiaal grafeen om het te onderzoeken. De resultaten werden gepubliceerd in het tijdschrift ACS toegepaste materialen en interfaces(“Onthulling van door temperatuur veroorzaakte structurele domeinen en verplaatsing van zuurstofvacatures in SrTiO3 met grafeen”). Deze illustratie laat zien hoe strontiumtitaanoxide wordt gecombineerd met grafeenstrips. De combinatie opent een nieuw pad naar memristieve heterostructuren die ferro-elektrische materialen en 2D-materialen combineren. (Afbeelding: Banerjee lab, Rijksuniversiteit Groningen) Computers zijn gigantische rekenmachines, vol met schakelaars die een waarde van 0 of 1 hebben. Met behulp van een groot aantal van deze binaire systemen kunnen computers zeer snel berekeningen uitvoeren. In andere opzichten zijn computers echter niet erg efficiënt. Onze hersenen gebruiken minder energie voor het herkennen van gezichten of het uitvoeren van andere complexe taken dan een standaard microprocessor. Dat komt omdat onze hersenen bestaan ​​uit neuronen die veel andere waarden kunnen hebben dan 0 en 1, en omdat de output van de neuronen afhangt van eerdere input.

Oxygen vacatures

Om memristors, schakelaars met een herinnering aan gebeurtenissen uit het verleden, te maken, wordt vaak strontiumtitaanoxide (STO) gebruikt. Dit materiaal is een perovskiet, waarvan de kristalstructuur afhankelijk is van de temperatuur, en bij lage temperaturen een beginnend ferro-elektrisch materiaal kan worden. Het ferro-elektrische gedrag gaat verloren boven 105 Kelvin. De domeinen en domeinmuren die deze faseovergangen begeleiden, zijn onderwerp van actief onderzoek. Toch is het nog steeds niet helemaal duidelijk waarom het materiaal zich zo gedraagt. 'Het is een klasse apart', zegt Tamalika Banerjee, hoogleraar Spintronica van Functionele Materialen aan het Zernike Institute for Advanced Materials, Rijksuniversiteit Groningen. De zuurstofatomen in het kristal lijken de sleutel te zijn tot zijn gedrag. 'Zuurstofvacatures kunnen door het kristal bewegen en deze defecten zijn belangrijk', zegt Banerjee. 'Bovendien zitten er domeinwanden in het materiaal en deze bewegen als er spanning op wordt gezet.' Talloze onderzoeken hebben geprobeerd uit te vinden hoe dit gebeurt, maar het is ingewikkeld om in dit materiaal te kijken. Het team van Banerjee is er echter in geslaagd een ander materiaal te gebruiken dat een klasse apart is: grafeen, de tweedimensionale koolstofplaat.

Geleidingsvermogen

'De eigenschappen van grafeen worden bepaald door de zuiverheid ervan', zegt Banerjee, 'terwijl de eigenschappen van STO voortkomen uit onvolkomenheden in de kristalstructuur. Wij ontdekten dat het combineren ervan tot nieuwe inzichten en mogelijkheden leidt.' Een groot deel van dit werk werd uitgevoerd door Banerjee's promovendus Si Chen. Ze plaatste grafeenstrips op een vlok STO en mat de geleidbaarheid bij verschillende temperaturen door een poortspanning tussen positieve en negatieve waarden te bewegen. 'Als er een teveel is aan elektronen of positieve gaten, gecreëerd door de poortspanning, wordt grafeen geleidend', legt Chen uit. 'Maar op het punt waar er zeer kleine hoeveelheden elektronen en gaten zijn, het Dirac-punt, is de geleidbaarheid beperkt.' Onder normale omstandigheden verandert de positie van de minimale geleidbaarheid niet met de zwaairichting van de poortspanning. In de grafeenstroken bovenop STO is er echter een grote scheiding tussen de minimale geleidbaarheidsposities voor de voorwaartse zwaai en de achterwaartse zwaai. Het effect is heel duidelijk bij 4 Kelvin, maar minder uitgesproken bij 105 Kelvin of bij 150 Kelvin. Analyse van de resultaten, samen met theoretische studies uitgevoerd aan de Universiteit van Uppsala, toont aan dat zuurstofvacatures nabij het oppervlak van de STO verantwoordelijk zijn.

Geheugen

Banerjee: 'De faseovergangen onder de 105 Kelvin strekken de kristalstructuur uit, waardoor er dipolen ontstaan. We laten zien dat zuurstofvacatures zich ophopen aan de domeinmuren en dat deze muren het kanaal vormen voor de beweging van zuurstofvacatures. Deze kanalen zijn verantwoordelijk voor het geheugengedrag in STO.' Accumulatie van zuurstofvacaturekanalen in de kristalstructuur van STO verklaart de verschuiving in de positie van de minimale geleidbaarheid. Chen voerde ook nog een experiment uit: 'We hielden de STO-poortspanning op -80 V en maten bijna een half uur lang de weerstand in het grafeen. In deze periode hebben we een verandering in de weerstand waargenomen, wat duidt op een verschuiving van gat- naar elektronengeleiding.' Dit effect wordt voornamelijk veroorzaakt door de ophoping van zuurstofvacatures aan het STO-oppervlak. Al met al laten de experimenten zien dat de eigenschappen van het gecombineerde STO/grafeenmateriaal veranderen door de beweging van zowel elektronen als ionen, elk op verschillende tijdschalen. Banerjee: 'Door het een of het ander te oogsten, kunnen we de verschillende responstijden gebruiken om memristieve effecten te creëren, die te vergelijken zijn met korte- of langetermijngeheugeneffecten.' De studie creëert nieuwe inzichten in het gedrag van STO-memristors. 'En de combinatie met grafeen opent een nieuw pad naar memristieve heterostructuren die ferro-elektrische materialen en 2D-materialen combineren.'

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