Этот результат является важным шагом в разработке этих твердотельных устройств для использования в памяти компьютеров будущего, которые работают намного быстрее, служат дольше и потребляют меньше энергии, чем сегодняшняя флэш-память. Результаты были опубликованы в феврале в Advanced Materials.
«Нам нужна такая информация, чтобы мы могли разработать мемристоры, которые будут иметь коммерческий успех», — сказал Сухас Кумар, ученый HPE и первый автор технического документа группы.
Мемристор был теоретически предложен в 1971 году как четвертый элемент основного электрического устройства наряду с резистором, конденсатором и индуктором. В его основе лежит крошечный кусочек оксида переходного металла, зажатый между двумя электродами.
Приложение положительного или отрицательного импульса напряжения резко увеличивает или уменьшает электрическое сопротивление мемристора. Такое поведение делает его пригодным для использования в качестве «энергонезависимой» компьютерной памяти, которая, как и флэш-память, может сохранять свое состояние без обновления с помощью дополнительного питания.
За последнее десятилетие группа HPE, возглавляемая старшим научным сотрудником Р. Стэнли Уильямс подробно изучил конструкцию мемристора, его материалы и поведение. С 2009 года они использовали интенсивное синхротронное рентгеновское излучение для выявления движений атомов в мемристорах во время переключения. Несмотря на успехи в понимании природы этого переключения, критические детали, которые будут важны при разработке коммерчески успешных схем, оставались спорными. Например, силы, которые перемещают атомы, приводя к резким изменениям сопротивления во время переключения, остаются предметом обсуждения.
В последние годы группа исследовала мемристоры из оксидов титана, тантала и ванадия. Первоначальные эксперименты показали, что переключением устройств на основе оксида тантала можно управлять наиболее легко, поэтому он был выбран для дальнейшего изучения в двух учреждениях Министерства энергетики США — Стэнфордском источнике синхротронного излучения SLAC (SSRL) и Advanced Light Source (ALS) лаборатории Беркли.
В ALS исследователи HPE нанесли на карту положения атомов кислорода до и после переключения.
Для этого они использовали сканирующий просвечивающий рентгеновский микроскоп и устройство, которое они построили, чтобы точно контролировать положение своего образца, а также время и интенсивность 500-электронвольтного рентгеновского излучения ALS, которое было настроено для наблюдения за кислородом.
Эксперименты показали, что даже слабые импульсы напряжения создают тонкий проводящий путь через мемристор.
Во время импульса путь нагревается, что создает силу, которая отталкивает атомы кислорода от пути, делая его еще более проводящим. Реверсирование импульса напряжения сбрасывает мемристор, всасывая часть атомов кислорода обратно в проводящий путь, тем самым увеличивая сопротивление устройства. Сопротивление мемристора изменяется от 10 до 1 миллиона раз в зависимости от рабочих параметров, таких как амплитуда импульса напряжения. Это изменение сопротивления достаточно драматично, чтобы его можно было использовать в коммерческих целях.
Чтобы быть уверенным в своем выводе, исследователям также необходимо было понять, движутся ли атомы тантала вместе с кислородом во время переключения. Для визуализации тантала потребовалось рентгеновское излучение более высокой энергии, 10 000 электронвольт, которое они получили на Линии пучка 6-2 SSRL. За один сеанс они определили, что тантал оставался неподвижным.
«Это скрепило сделку, убедив нас в том, что наша гипотеза верна», — сказала ученый HPE Кэтрин Грейвс, которая работала в SSRL в качестве аспиранта Стэнфордского университета. Она добавила, что обсуждения с экспертами SLAC имели решающее значение для того, чтобы направить команду HPE к методам рентгеновского излучения, которые позволили бы им точно видеть тантал.
Кумар сказал, что наиболее многообещающим аспектом результатов исследования оксида тантала было то, что ученые не увидели ухудшения при переключении более миллиарда импульсов напряжения с величиной, подходящей для коммерческого использования. Он добавил, что эти знания помогли его группе создать мемристоры, выдерживающие почти миллиард циклов переключения, что примерно в тысячу раз лучше.
«Это намного более длительный срок службы, чем это возможно с сегодняшними устройствами флэш-памяти», — сказал Кумар. «Кроме того, мы также использовали гораздо более высокие импульсы напряжения для ускорения и наблюдения за отказами мемристоров, что также важно для понимания того, как работают эти устройства. Неудачи происходили, когда атомы кислорода были вытеснены так далеко, что они не вернулись в свои исходные положения."
По словам Кумара, помимо микросхем памяти, быстрая скорость переключения и небольшой размер мемристоров могут сделать их пригодными для использования в логических схемах.
Дополнительные характеристики мемристора также могут быть полезны в развивающемся классе нейроморфных вычислительных схем, вдохновленных мозгом.
"Транзисторы большие и громоздкие по сравнению с мемристорами", — сказал он. «Мемристоры также намного лучше подходят для создания нейроноподобных всплесков напряжения, характерных для нейроморфных цепей."