a, Illustration schématique de la source de photons memristive à l'échelle atomique (APS) avec la nanoantenne plasmonique (surlignée en blanc pointillé) formant les pointes des électrodes Ag et Pt de forme quasi-triangulaire. b, Superposition d'une image d'électroluminescence grand champ avec une image de transmission optique de l'APS. L'image d'électroluminescence de l'APS est prise, accompagnée d'un balayage de tension I - V de commutation résistive. c, Illustration schématique de la source de photons atomiques émettant des photons pendant le processus de commutation memristive. Le filament Ag se développe du Pt vers l'électrode Ag. La tache rouge vif représente les photons émis à une origine probable dans l'espace de la source de photons atomiques. Crédit :Bojun Cheng, Till-Maurice Zellweger, Konstantin Malchow, Xinzhi Zhang, Mila Lewerenz, Elias Passerini, Jan Aeschlimann, Ueli Koch, Mathieu Luisier, Alexandros Emboras, Alexandre Bouhelier et Juerg Leuthold
Les sources de photons sur puce compactes et compatibles CMOS ont beaucoup attiré l'attention de la communauté scientifique et de l'industrie des semi-conducteurs. Comme la taille des caractéristiques du transistor diminue continuellement, la densité d'intégration et la vitesse de commutation dans les circuits électroniques intégrés augmentent de façon exponentielle. Cela conduit à une dissipation de puissance de plus en plus importante des connexions électriques entre les éléments de circuit. Les interconnexions optiques (photoniques) et leur élément central - la source de photons sur puce - représentent une alternative prometteuse pour contourner cette limitation. Cependant, les sources de photons sur puce à la pointe de la technologie les plus prometteuses présentent généralement une taille à l'échelle du micromètre - 1 000 fois plus grande que les transistors et empêchent une intégration à grande échelle. Les memristors, avec des zones actives à l'échelle nanométrique voire atomique, pourraient être avantageusement fusionnés avec des fonctions optiques pour contourner cette limitation tout en offrant des fonctionnalités polyvalentes.
Dans un article récent publié dans Light :Science &Applications , des chercheurs de l'ETH Zurich et de l'Université de Bourgogne démontrent des memristors à l'échelle atomique capables d'émettre des photons lors d'une commutation résistive. Cette "source de photons atomiques", comme on l'appelle dans l'article, consiste en un planaire Ag/SiO amorphex Jonction /Pt avec des électrodes spécialement conçues formant des antennes optiques pour améliorer considérablement l'efficacité d'émission. Une illustration de la structure du dispositif est représentée sur la figure 1a. Comme le montre la figure 1b, l'émission lumineuse de la "source de photons atomiques" peut être détectée par une caméra CCD. Comme illustré sur la figure 1c, de la lumière est émise lors de la formation d'une connexion électrique entre les deux électrodes, qui est composée d'atomes d'argent qui se rassemblent pour former un filament métallique.
Les chercheurs donnent en outre une explication sur l'origine de l'émission de lumière dans la "source de photons atomiques". Avec une série d'expériences, ils démontrent que l'émission de lumière provient d'un réarrangement atomique du SiOx amorphe causée par la commutation résistive. La composition atomique est localement altérée, formant des sites luminescents. Ces sites sont alors excités électriquement et émettent des photons par un processus de relaxation radiative.
En raison de son empreinte compacte et de sa fabrication compatible CMOS, cette "source de photons atomiques" pourrait potentiellement déclencher un nouveau paradigme conceptuel pour les dispositifs fonctionnant au niveau atomique avec des fonctionnalités électriques et optiques intégrées sur le même composant à l'échelle nanométrique. En tant que tel, il résout l'inadéquation de taille entre les sources de photons sur puce de l'art actuel de taille micrométrique et les appareils électriques de taille nanométrique.
Les memristors sont une catégorie émergente de dispositifs fonctionnant à l'échelle du nanomètre, reposant sur un ensemble différent d'effets à l'échelle atomique qui permettent d'ajuster la valeur de résistance des dispositifs à une valeur souhaitée. Dans le cas des mémoires à métallisation électrochimique (ECM), le type de memristors étudié par les chercheurs, les dispositifs consistent en un empilement métal-isolant-métal asymétrique simple et compatible CMOS. Lors de l'application d'une tension, un atome de métal actif est oxydé en ions, se déplace le long du champ électrique à travers l'isolant jusqu'à l'électrode passive et forme finalement un filament métallique conducteur de taille nanométrique.
Ce processus peut être inversé et répété, et les données peuvent être stockées sous forme de résistance entre les électrodes (état de résistance). Outre les mémoires haute densité, les memristors reçoivent actuellement beaucoup d'attention pour leurs applications où ils excellent par rapport à la technologie CMOS, comme l'informatique neuromorphique et en mémoire. De manière intéressante, les memristors peuvent également être avantageusement fusionnés avec des fonctions optiques :des commutateurs optiques et des photodétecteurs à commande memristive ont été introduits. Or, jusqu'à présent, le fonctionnement photonique d'un memristor repose sur des sources de photons externes ou co-intégrées. De meilleurs memristors pour l'informatique semblable au cerveau
