Gli scienziati stanno lavorando su nuovi materiali per creare computer neuromorfici con un design basato sul cervello umano. Un componente cruciale è un dispositivo memristivo, la cui resistenza dipende dalla storia del dispositivo, proprio come la risposta dei neuroni dipende dall'input precedente. Gli scienziati dei materiali dell'Università di Groningen hanno analizzato il comportamento dell'ossido di stronzio-titanio, un materiale di piattaforma per la ricerca sui memristor e ha utilizzato il materiale 2-D grafene per sondarlo. L'11 novembre 2020, i risultati sono stati pubblicati sulla rivista Materiali e interfacce applicati ACS .

Computer basati su interruttori che hanno un valore di 0 o 1. Utilizzando molti di questi sistemi binari, i computer possono eseguire calcoli molto rapidamente. Però, sotto altri aspetti, i computer non sono molto efficienti. I cervelli utilizzano meno energia per riconoscere i volti o eseguire altre attività complesse rispetto a un microprocessore standard. Questo perché il cervello è composto da neuroni che possono avere molti valori diversi da 0 e 1 e perché l'output dei neuroni dipende dall'input precedente.

Posti vacanti di ossigeno

Per creare memristori, interruttori con un ricordo di eventi passati, Viene spesso utilizzato l'ossido di stronzio-titanio (STO). Questo materiale è una perovskite, la cui struttura cristallina dipende dalla temperatura e può diventare un incipiente ferroelettrico a basse temperature. Il comportamento ferroelettrico si perde al di sopra di 105 Kelvin. I domini e le pareti di dominio che accompagnano queste transizioni di fase sono oggetto di ricerca attiva. Eppure non è ancora del tutto chiaro perché il materiale si comporti in quel modo. "È in un campionato a sé stante, "dice Tamalika Banerjee, professore di spintronica dei materiali funzionali allo Zernike Institute for Advanced Materials, Università di Groninga.

Gli atomi di ossigeno nel cristallo sembrano essere la chiave del suo comportamento. "Le vacanze di ossigeno possono spostarsi attraverso il cristallo e questi difetti sono importanti, "dice Banerjee. "Inoltre, le pareti del dominio sono presenti nel materiale e si muovono quando viene applicata una tensione." Numerosi studi hanno cercato di scoprire come ciò avvenga, ma guardare dentro questo materiale è complicato. Però, Il team di Banerjee è riuscito a utilizzare un altro materiale che non ha rivali:il grafene, il foglio di carbonio bidimensionale.

Conducibilità

"Le proprietà del grafene sono definite dalla sua purezza, "dice Banerjee, "mentre le proprietà di STO derivano da imperfezioni nella struttura cristallina. Abbiamo scoperto che la loro combinazione porta a nuove intuizioni e possibilità". Gran parte di questo lavoro è stato svolto dal Ph.D. di Banerjee. studente Si Chen. Ha posizionato strisce di grafene sopra una scaglia di STO e ha misurato la conduttività a diverse temperature spostando una tensione di gate tra valori positivi e negativi. "Quando c'è un eccesso di elettroni o di buchi positivi, creato dalla tensione di gate, il grafene diventa conduttivo, " spiega Chen. "Ma nel punto in cui ci sono quantità molto piccole di elettroni e lacune, il punto Dirac, la conducibilità è limitata."

In circostanze normali, la posizione di conducibilità minima non cambia con la direzione di oscillazione della tensione di gate. Però, nelle strisce di grafene sopra STO, c'è una grande separazione tra le posizioni di conducibilità minima per la scansione in avanti e la scansione all'indietro. L'effetto è molto chiaro a 4 Kelvin, ma meno pronunciato a 105 Kelvin oa 150 Kelvin. Analisi dei risultati, insieme agli studi teorici svolti presso l'Università di Uppsala, mostra che i posti vacanti di ossigeno vicino alla superficie della STO sono responsabili.

Memoria

Banerjee:"Le transizioni di fase al di sotto di 105 Kelvin allungano la struttura cristallina, creare dipoli. Mostriamo che le vacanze di ossigeno si accumulano alle pareti del dominio e che queste pareti offrono il canale per il movimento delle vacanze di ossigeno. Questi canali sono responsabili del comportamento memristivo in STO." L'accumulo di canali vuoti di ossigeno nella struttura cristallina di STO spiega lo spostamento nella posizione della conduttività minima.

Chen ha effettuato anche un altro esperimento:"Abbiamo mantenuto la tensione del gate STO a -80 V e misurato la resistenza nel grafene per quasi mezz'ora. In questo periodo, abbiamo osservato un cambiamento nella resistenza, indicando un passaggio dalla lacuna alla conduttività elettronica." Questo effetto è causato principalmente dall'accumulo di vacanze di ossigeno sulla superficie STO.

Tutto sommato, gli esperimenti mostrano che le proprietà del materiale combinato STO/grafene cambiano attraverso il movimento di elettroni e ioni, ciascuno su scale temporali diverse. Banerjee:"Raccogliendo l'uno o l'altro, possiamo utilizzare i diversi tempi di risposta per creare effetti memristivi, che possono essere paragonati agli effetti della memoria a breve o lungo termine." Lo studio crea nuove intuizioni sul comportamento dei memristori STO. "E la combinazione con il grafene apre un nuovo percorso verso eterostrutture memristive che combinano materiali ferroelettrici e materiali 2-D ."