(PhysOrg.com) -- Un examen critique de l'état actuel et des perspectives d'avenir des nouvelles architectures informatiques basées sur des « commutateurs atomiques » fabriqués en contrôlant le mouvement des ions cationiques lors de réactions électrochimiques solides.
Un examen des nouveaux types de nanodispositifs et de l'informatique basés sur des commutateurs atomiques à base de cations est présenté Takami Hino et ses collègues au WPI Center for Materials Nanoarchitectonics au National Institute for Materials Science (NIMS) à Tsukuba, Japon. L'article de synthèse est publié ce mois-ci dans la revue Science et technologie des matériaux avancés .
Les chercheurs décrivent les mécanismes fondamentaux régissant le fonctionnement des commutateurs atomiques nanoioniques avec des exemples détaillés de leurs propres dispositifs à trois terminaux, et prédire un avenir radieux pour l'intégration de commutateurs atomiques avec des dispositifs conventionnels en silicium en utilisant des matériaux conducteurs ioniques.
Des commutateurs atomiques mécaniques, actionnés en manipulant des atomes entre une surface conductrice et la pointe d'un microscope à effet tunnel (STM), ont été signalés pour la première fois au début des années 1990. Ces commutateurs mécaniques ont suscité un vif intérêt pour le développement de commutateurs atomiques à commande électrique, produit par le mouvement d'ions cationiques dans des réactions électrochimiques solides, où le fonctionnement des commutateurs atomiques cationiques est régi par la formation d'un canal conducteur dans ou sur un conducteur ionique.
Maintenant, le défi pour les chercheurs dans ce domaine est la fabrication de structures de dispositifs nano-ioniques qui peuvent être intégrées aux dispositifs semi-conducteurs conventionnels à oxyde métallique et silicium.
Dans sa configuration la plus simple, le fonctionnement d'un commutateur atomique nano-ionique consiste en la formation et la désintégration de fils métalliques de taille nanométrique via une réaction électrochimique solide, ce qui conduit à des changements majeurs dans la résistance entre les électrodes - les états « on » et « arrêt ».
Dans cette revue, Hino et ses collègues décrivent le contrôle des ions argent dans le sulfure d'argent - un conducteur ionique - en utilisant une pointe STM pour injecter des électrons afin de produire des protubérances d'argent à la surface du sulfure d'argent, et leur retrait en appliquant une tension de polarisation appropriée entre la pointe STM et l'électrode. Surtout, l'application d'une polarisation positive entre une pointe de sulfure d'argent et une surface de platine conduit à la croissance des fils d'argent et une polarisation négative conduit à leur retrait. Cette commande bipolaire est importante pour les applications pratiques des appareils.
Les commutateurs atomiques de type Gap sont un élément fondamental des dispositifs nano-ioniques bipolaires. Ici, les chercheurs donnent un compte rendu détaillé de la commutation bipolaire à l'aide de pointes STM en sulfure d'argent et d'électrodes en platine sur la base de leurs propres expériences sur des structures de dispositifs « crossbar » avec un écart de 1 nm entre le sulfure d'argent et le platine, en mettant l'accent sur le mécanisme physique régissant la commutation à grande vitesse à 1 MHz, et la découverte que le temps de commutation diminue de façon exponentielle avec l'augmentation de la tension de polarisation. Les auteurs soulignent que le développement d'une méthode reproductible de fabrication de dispositifs « crossbar » a été une avancée majeure, qui a permis la première démonstration de circuits nano-ioniques tels que les portes logiques.
En vue des applications pratiques des commutateurs atomiques, les auteurs donnent des exemples de commutateurs atomiques avancés comprenant des dispositifs de type gapless constitués de structures métal/conducteur ionique/métal, où l'un des métaux est électrochimiquement actif et l'autre inerte. Notamment, des rapports récents sur l'utilisation d'oxydes métalliques comme conducteurs ioniques ont donné un nouvel élan à la commercialisation de dispositifs.
Notamment, les commutateurs atomiques sans espace agissent également comme des « memristors » (résistances de mémoire) - des dispositifs de mémoire multi-états passifs à deux terminaux - où la taille de la saillie du nanofil régit les caractéristiques de fonctionnement.
D'autres commutateurs atomiques avancés incluent :trois dispositifs terminaux tels que des structures avec un électrolyte de sulfure de cuivre solide, où la formation d'un pont de cuivre entre une électrode de source de platine et une électrode de drain de cuivre est contrôlée par une électrode de grille en cuivre; et commutateurs atomiques photo-assistés, qui ne nécessitent pas de nanogaps, et des saillies de nanofils sont développées par irradiation optique d'un matériau photoconducteur situé entre l'électrode conductrice d'anions et d'électrons et une contre-électrode métallique. Curieusement, puisque l'interrupteur est activé lorsque la protubérance de métal en croissance atteint la contre-électrode, et la saillie ne pousse pas dans l'obscurité, le commutateur atomique photo-assisté se comporte comme un commutateur programmable qui pourrait être utilisé dans une mémoire morte programmable effaçable (EPROM).
Les auteurs décrivent également les « capacités d'apprentissage » des commutateurs atomiques capables de mémoire à court et à long terme dans des dispositifs nano-ioniques uniques ; commutateurs bipolaires non volatils; deux portes logiques de commutation atomique terminales; et des matrices de portes programmables sur le terrain intégrées aux dispositifs CMOS.
Cette revue contient 77 références et 20 chiffres et fournit une source inestimable d'informations à jour pour les nouveaux arrivants et les experts dans ce domaine de recherche passionnant.
