В ИТМО открыли новое семейство металл-органических кристаллов, которые самопроизвольно превращаются из 3D-структур в 2D. Их можно использовать в качестве материала для мемристоров и технологии ReRAM — платформ для записи и хранения информации. Создают такие кристаллы методами растворной химии, без применения дорогостоящей литографии, что значительно снижает их стоимость. При этом они получаются достаточно тонкими (от 4 нанометров), а улучшенные электронные свойства делают их эффективными для использования в дизайне устройств памяти и платформ ИИ. Исследование проводилось при грантовой поддержке программы «Приоритет 2030» и Российского научного фонда. Результаты работы опубликованы в журнале Advanced Science .

Ультратонкие 2D-кристаллы. Фото: Дмитрий Григорьев / ITMO NEWS

Ежегодно на рынке представляют все более совершенные модели электронных устройств. Для увеличения мощности и расширения функционала приборов требуются более энергоэффективные и быстрые элементы, вмещающие еще больше информации. Однако это неизбежно ведет к увеличению их размера, что не совсем удобно для пользователей. Поэтому одной из главных проблем разработчиков становится вопрос миниатюризации. Одно из решений — использование нового типа структур и активных (двумерных) материалов.

Одни из самых перспективных подобных структур сейчас — металл-органические каркасы (МОК). В таких структурах органические молекулы связаны друг с другом ионами металлов, за счет чего получается довольно прочный материал, обладающий характеристиками органических веществ. При этом подобные структуры могут изменять свойства проводимости в зависимости от приложенного внешнего электрического поля — проводить электрический ток или, наоборот, быть диэлектриком.

Однако большинство металл-органических каркасов представляют собой трехмерные структуры. Их масштабирование для создания устройств наноэлектроники — довольно сложный процесс. В ИТМО предложили новый метод преобразования таких структур из 3D в 2D, которые, в свою очередь, легко «встроить» в существующие устройства наноэлектроники. Ученые обнаружили, что при синтезе с использованием нескольких органических соединений (лигандов) 3D-кристаллы самопроизвольно разрушаются до уровня 2D. При этом полученные 2D-структуры демонстрируют улучшенные электронные свойства по сравнению со своими 3D-аналогами.

Сначала ученые синтезируют объемные кристаллы. Для этого они нагревают в течение 48 часов раствор 1,2-бипиридилэтилена, 2,6-нафталендикарбоксилата и нитрата цинка. В осадке этой смеси и выпадают нужные 3D-кристаллы. После кристаллы сушат на воздухе, что приводит к разрушению координационных связей между слоями и их трансформации в 2D-структуры. На последнем этапе ученые специальной клейкой лентой отделяют слои от получившихся 2D-кристаллов — с ними уже можно работать по отдельности и использовать в устройствах.

«В одном объемном кристалле может быть до десятка отдельных слоев, поэтому после разрушения структуры одного 3D-кристалла мы получаем сразу несколько 2D-кристаллов. До нас подобные работы уже проводились. Однако до этого никто не показывал, что структуры могут разрушаются самопроизвольно — буквально на воздухе. Это значительно упрощает и удешевляет производство подобных кристаллов. При этом разработанный метод позволяет создавать структуры с необходимыми для использования в производственных масштабах параметрами. Они достаточно тонкие — до 4 нанометров, могут сохранять записанную информацию более 2 часов и служат более 100 циклов переключения из состояния с низкой проводимостью в состояние с высокой проводимостью и обратно с соотношением сигнал/шум до 1400 единиц», — отмечает один из авторов исследования, аспирант, младший научный сотрудник физического факультета ИТМО Семен Бачинин.

Готовые 2D-кристаллы могут стать основой мемристоров — устройств для записи и хранения информации. Помимо того, что подобные структуры более энергоэффективны и энергонезависимы, в них есть возможность адресного обращения к конкретной ячейке памяти, чего не позволяют классические устройства. Кроме того, для их производства не требуется применения сложной литографической технологии на дорогостоящем оборудовании. Мемристоры можно использовать в дизайне сложных устройств микрооптики, а также элементов памяти компьютеров для запуска более сложных моделей ИИ — подобные кристаллы могут функционировать по нейроморфным принципам, то есть имитировать работу нейронов головного мозга.

Исследование было выполнено в рамках гранта «2D металл-органические каркасы: альтернативный кремний для микроэлектроники» программы «Приоритет 2030»и гранта РНФ № 22-72-10027 «Гибкие гибридные материалы как новый активный слой в современных устройствах записи и хранения информации». В проекте совместно с учеными ИТМО участвовали их коллеги из Харбинского университета, исследовательского института KAUST, Института неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАНБ, Санкт-Петербургского государственного университета и Universite de Lorraine.