Les chercheurs ont utilisé un modèle avancé pour simuler avec des détails sans précédent le fonctionnement des "cellules à commutation de résistance" qui pourraient remplacer la mémoire conventionnelle pour les applications électroniques, avec le potentiel d'apporter une mémoire d'ordinateur plus rapide et de plus grande capacité tout en consommant moins d'énergie.

Ces "cellules de métallisation" électromécaniques passent rapidement d'une résistance élevée à une résistance faible - une opération à deux états qui pourrait être utilisée pour représenter les uns et les zéros dans le code binaire nécessaire pour exécuter des commandes logicielles et stocker des informations dans des ordinateurs.

Des chercheurs de l'Université Purdue ont développé une nouvelle méthode pour simuler les processus électrochimiques qui régissent l'opération avec des détails atomistiques. Les chercheurs ont utilisé le modèle pour simuler les performances d'un type de cellules à commutation de résistance également appelées cellules de pontage conductrices.

« Malgré leur importance, les mécanismes qui régissent leurs propriétés remarquables sont mal compris, limitant notre capacité à évaluer la performance ultime et le potentiel de commercialisation, " a déclaré Alejandro Strachan, professeur de génie des matériaux à Purdue. "Maintenant, une compréhension mécanistique au niveau atomique du processus de commutation fournit de nouvelles directives pour l'optimisation des matériaux."

Les cellules à commutation de résistance sont envisagées comme un remplacement possible de la mémoire non volatile actuelle, qui atteint ses limites technologiques et pourrait également être utilisé pour des applications logiques. Les cellules de pontage conductrices peuvent basculer en quelques nanosecondes - ce qui les rend potentiellement capables d'un fonctionnement ultra-rapide - et elles sont extrêmement petites, permettant éventuellement plus compact, mémoire d'ordinateur puissante, dit Strachan.

Les résultats sont détaillés dans un article de recherche paru cette semaine dans la revue Matériaux naturels . L'article a été rédigé par Nicolas Onofrio, associé de recherche postdoctoral de Purdue, étudiant diplômé David Guzman et Strachan.

Les appareils contiennent deux électrodes métalliques séparées par un diélectrique, ou matériau isolant. Lorsqu'une tension est appliquée, l'électrode active - en cuivre dans ce cas - se dissout dans le diélectrique et les ions commencent à se déplacer vers l'électrode inactive. Ces ions forment finalement un filament conducteur qui relie les deux électrodes, réduire la résistance électrique. Lorsque la tension est inversée, les filaments se cassent, retour à l'état de haute résistance. Un gif animé montré dans cette vidéo décrit l'action :

Les chercheurs ont pu simuler pour la première fois ce qui se passe à l'échelle nanométrique et aux régimes temporels réels des appareils, fournissant de nouvelles informations sur la façon dont les filaments se forment et se cassent. Les résultats fournissent de nouvelles informations sur les réactions électrochimiques conduisant à la formation des filaments et à leur rupture, prédire le fonctionnement ultrarapide observé dans les expériences précédentes avec des appareils plus gros, avec une commutation aussi rapide que quelques nanosecondes.

L'émergence de telles simulations avancées permet de prédire le comportement précis et les performances des nouveaux appareils avant leur construction, un objectif de la Materials Genome Initiative formée en 2011.

"Le but du MGI est de découvrir, développer et déployer des matériaux deux fois plus vite à moitié prix, " a déclaré Strachan. " Maintenant, il faut 20 ans à partir du moment où nous découvrons un matériau dans un laboratoire jusqu'à ce que nous le mettions dans un produit, et c'est trop long. Nous prévoyons que les prochaines décennies seront témoins d'une révolution avec l'incorporation de simulations et d'expériences à plusieurs échelles conduisant à des gains de performances spectaculaires et à une réduction des coûts et du temps de développement. »

La recherche est basée au Birck Nanotechnology Center dans le Discovery Park de Purdue et est affiliée au Network for Computational Nanotechnology, le Center for Predictive Materials and Devices (c-PRIMED) et le nanoHUB. Les simulations sont effectuées à l'aide de superordinateurs par le biais de la division informatique de recherche de la technologie de l'information de Purdue (ITaP).

Ce travail a été soutenu par le FAME Center, l'un des six centres de STARnet, un programme de la Semiconductor Research Corporation parrainé par MARCO et DARPA et par la National Nuclear Security Administration du département américain de l'Énergie.

Les travaux futurs impliqueront des recherches pour trouver de meilleurs matériaux pour les appareils.