Ученые из Университета ИТМО и Харбинского инженерного университета разработали стабильный перовскитный наномемристор, который выдерживает более 1500 циклов перезаписи и не деградирует спустя месяцы. При этом исследователи добились рекордно маленьких значений размера и энергопотребления — 70–80 нановатт для монокристалла перовскита размером 130–160 нанометров. С помощью разработки можно создать более быстрые и энергоэффективные ультракомпактные процессоры для нейроморфных вычислений. Исследование, поддержанное грантом РНФ и программой Приоритет 2030, опубликовано в журнале Opto-Electronic Advances.

^{Источник: crstrbrt / Фотобанк Фотодженика}

Мемристоры долгое время существовали лишь в теории. Их практическая реализация стала возможной только в 2008 году с развитием технологий получения сверхчистых полупроводниковых материалов. Мемристор изменяет свое сопротивление в зависимости от величины и направления протекающего через него тока, и его можно использовать для хранения информации или ее энергоэффективной обработки, ведь они потребляют меньше энергии, чем обычные кремниевые транзисторы. Эти свойства можно использовать для создания энергоэффективных систем хранения и обработки информации, включая нейроморфные вычисления, обработку сигналов в системах ИИ, машинного зрения, акустико-речевых системах и биоинтерфейсах.

Перспективными материалами для создания новой микроэлектроники, в том числе мемристоров, сегодня выступают перовскиты. Однако перовскитные мемристоры оставались не совсем подходящими для реальных применений из-за их нестабильности. Проблема кроется в структуре самих материалов: используемые многими учеными поликристаллические пленки перовскитов имеют границы между кристаллитами. Через эти границы не только проникают влага и кислород, вызывая химическую деградацию перовскита, но и происходит неконтролируемая миграция ионов металлов из электродов. Это приводит к невоспроизводимому переключению состояния мемристора при одинаковом напряжении.

Ученые ИТМО, ФТИ Иоффе и Харбинского инженерного университета впервые предложили перовскитный мемристор, который способен выдержать более 1500 циклов перезаписи и при этом не деградирует спустя несколько месяцев работы в комнатных условиях. Надежность и долговечность элемента гарантирует использование омических инертных контактов и в качестве полупроводника монокристаллических нанокубов из цезий бромида свинца (CsPbBr3). Это один из самых химически стойких перовскитов на основе галогенида свинца. Также монокристаллическая структура нанокуба обеспечивает стабилизацию электрохимических свойств элементов от цикла к циклу. Сам монокуб перовскита располагается между оксидом индия олова и алмазом, легированным бором. Это химически инертные электроды, которые также обеспечивают устойчивость переключения мемристора.

^{Устройство перовскитного наномемристора: монокристаллический нанокуб из цезий бромида свинца (CsPbBr3) располагается между алмазом, легированным бором (BDD), и оксидом индия олова (ITO). Иллюстрация предоставлена Александрой Фурасовой}

^{Нанокристаллы перовскита на проводящей подложке, снятые с помощью электронного микроскопа. Фотография предоставлена Александрой Фурасовой}

При этом исследователям удалось достичь одних из самых низких значений энергопотребления и размера перовскитного мемристора — 70–80 нановатт для монокристалла размером 130–160 нанометров. Другие подобные перовскитные устройства тратят от 200 до 35 тысяч нановатт. Эти параметры делают разработку очень компактной и энергоэффективной. Также мемристор переключается менее чем за одну миллисекунду, а разница в амплитуде тока составляет около 4–5 порядков, что делает устройство удобным и быстрым для обработки сигнала.

«Мы смоделировали поведение зарядов внутри нанокристалла и увидели, что именно их накопление у границы с контактом приводит к эффекту мемристивности. По сути это скопление зарядов создает дипольный момент, который меняет энергетический барьер в области перовскит-контакт. Именно это явление и позволяет мемристору переключать сопротивление», — объяснила автор исследования, старший научный сотрудник Нового физтеха ИТМО Александра Фурасова.

^{Кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники физического факультета ИТМО Александра Фурасова. Фото: Дмитрий Григорьев / ITMO NEWS}

^{Команда исследования: Сергей Макаров, Александра Фурасова, Прохор Алексеев и Аболфазл Махмудпур. Фото предоставлено Александрой Фурасовой}

Разработка позволит сделать более быстрые и энергоэффективные ультракомпактные нейроморфные процессоры для задач искусственного интеллекта и машинного обучения. Кроме того, такие одиночные мемристоры можно легко собирать в масштабируемые схемы (кроссбары) для практической реализации логики и коммутации отдельных полупроводников. В дальнейшем ученые планируют провести эксперименты на массиве монокристаллических нанокубов перовскита и протестировать другие материалы в качестве полупроводников.

Исследование поддержано программой «Приоритет 2030» и грантом РНФ №24-62-00022.