a, Illustrazione schematica della sorgente di fotoni memristive su scala atomica (APS) con la nanoantenna plasmonica (evidenziata in una casella tratteggiata bianca) che forma le punte degli elettrodi Ag e Pt a forma quasi triangolare. b, Sovrapposizione di un'immagine di elettroluminescenza ad ampio campo con un'immagine di trasmissione ottica dall'APS. Viene acquisita l'immagine dell'elettroluminescenza dell'APS, accompagnata da uno sweep di tensione I - V di commutazione resistiva. c, Illustrazione schematica della sorgente di fotoni atomici che emette fotoni durante il processo di commutazione memristiva. Il filamento Ag sta crescendo dal Pt verso l'elettrodo Ag. La macchia rossa brillante rappresenta i fotoni emessi a una probabile origine nello spazio vuoto della sorgente di fotoni atomici. Crediti:Bojun Cheng, Till-Maurice Zellweger, Konstantin Malchow, Xinzhi Zhang, Mila Lewerenz, Elias Passerini, Jan Aeschlimann, Ueli Koch, Mathieu Luisier, Alexandros Emboras, Alexandre Bouhelier e Juerg Leuthold
Le sorgenti fotoniche su chip compatte e compatibili con CMOS hanno attirato molta attenzione nella comunità scientifica e nell'industria dei semiconduttori. Poiché le dimensioni delle caratteristiche del transistor si riducono continuamente, la densità di integrazione e la velocità di commutazione nei circuiti elettronici integrati aumentano in modo esponenziale. Ciò porta a una dissipazione di potenza sempre più grande dai collegamenti elettrici tra gli elementi del circuito. Le interconnessioni ottiche (fotoniche) e il loro elemento centrale, la sorgente di fotoni su chip, rappresentano un'alternativa promettente per aggirare questa limitazione. Tuttavia, le sorgenti di fotoni su chip più promettenti e all'avanguardia presentano in genere una dimensione su scala micrometrica, 1.000 volte più grande dei transistor e impediscono l'integrazione su larga scala. I memristori, con aree attive su scala nanometrica o addirittura atomica, potrebbero essere vantaggiosamente fusi con funzioni ottiche per aggirare questa limitazione fornendo al contempo funzionalità versatili.
In un recente articolo pubblicato su Light:Science &Applications , i ricercatori dell'ETH di Zurigo e dell'Università della Borgogna dimostrano memristori su scala atomica in grado di emettere fotoni durante la commutazione resistiva. Questa "Sorgente di fotoni atomici", come viene chiamata nell'articolo, è costituita da un Ag/amorfo planare SiOx /Pt giunzione con elettrodi appositamente progettati che formano antenne ottiche per migliorare notevolmente l'efficienza di emissione. Un'illustrazione della struttura del dispositivo è illustrata nella Figura 1a. Come mostrato nella Figura 1b, l'emissione di luce dalla "Sorgente di fotoni atomici" può essere rilevata da una telecamera CCD. Come illustrato nella figura 1c, la luce viene emessa durante la formazione di una connessione elettrica tra i due elettrodi, che è composta da atomi di argento che si raccolgono per formare un filamento metallico.
I ricercatori forniscono inoltre una spiegazione sull'origine dell'emissione di luce nella "Sorgente di fotoni atomici". Con una serie di esperimenti, dimostrano che l'emissione di luce deriva da un riarrangiamento atomico dell'amorfo SiOx causato dalla commutazione resistiva. La composizione atomica è alterata localmente, formando siti luminescenti. Questi siti vengono quindi eccitati elettricamente ed emettono fotoni mediante un processo di rilassamento radiativo.
Grazie al suo ingombro ridotto e alla fabbricazione compatibile con CMOS, questa "sorgente di fotoni atomici" potrebbe potenzialmente innescare un nuovo paradigma concettuale per dispositivi che operano a livello atomico con funzionalità elettriche e ottiche incorporate nello stesso componente su scala nanometrica. In quanto tale, risolve la discrepanza di dimensioni tra le attuali sorgenti di fotoni su chip di dimensioni micrometriche e dispositivi elettrici di dimensioni nanometriche.
I memristori sono una categoria emergente di dispositivi che operano nel regime della scala nanometrica, basandosi su un diverso insieme di effetti di scala atomica che consentono di regolare il valore di resistenza dei dispositivi su un valore desiderato. Nel caso delle memorie di metallizzazione elettrochimica (ECM), il tipo di memristori studiato dai ricercatori, i dispositivi sono costituiti da una pila di metallo-isolante-metallo asimmetrica semplice e compatibile con CMOS. Dopo aver applicato una tensione, un atomo di metallo attivo viene ossidato in ioni, vaga lungo il campo elettrico attraverso l'isolante fino all'elettrodo passivo e alla fine forma un filamento metallico conduttivo di dimensioni nanometriche.
Questo processo può essere invertito e ripetuto e i dati possono essere memorizzati come resistenza tra gli elettrodi (stato di resistenza). Oltre alle memorie ad alta densità, i memristori attualmente ricevono molta attenzione alle loro applicazioni in cui eccellono rispetto alla tecnologia CMOS, come l'informatica neuromorfica e in-memory. È interessante notare che i memristori possono anche essere vantaggiosamente fusi con funzioni ottiche:sono stati introdotti interruttori ottici e fotorilevatori controllati in modo memristivo. Tuttavia, finora, il funzionamento fotonico di un memristore si basa su sorgenti fotoniche esterne o co-integrate. + Esplora ulteriormente
