Les scientifiques travaillent sur de nouveaux matériaux pour créer des ordinateurs neuromorphes avec une conception basée sur le cerveau humain. Un composant crucial est un dispositif memristif, dont la résistance dépend de l'historique de l'appareil, tout comme la réponse des neurones dépend de l'entrée précédente. Des scientifiques des matériaux de l'Université de Groningue ont analysé le comportement de l'oxyde de strontium-titane, un matériau de plate-forme pour la recherche sur les memristors et a utilisé le graphène matériel 2D pour le sonder. Le 11 novembre 2020, les résultats ont été publiés dans la revue Matériaux et interfaces appliqués ACS .

Ordinateurs basés sur des commutateurs qui ont une valeur de 0 ou 1. En utilisant un grand nombre de ces systèmes binaires, les ordinateurs peuvent effectuer des calculs très rapidement. Cependant, d'autre part, les ordinateurs ne sont pas très efficaces. Les cerveaux utilisent moins d'énergie pour reconnaître les visages ou effectuer d'autres tâches complexes qu'un microprocesseur standard. C'est parce que le cerveau est composé de neurones qui peuvent avoir de nombreuses valeurs autres que 0 et 1 et parce que la sortie des neurones dépend de l'entrée précédente.

Vacance d'oxygène

Pour créer des memristors, commutateurs avec une mémoire des événements passés, l'oxyde de strontium et de titane (STO) est souvent utilisé. Ce matériau est une pérovskite, dont la structure cristalline dépend de la température et peut devenir un ferroélectrique naissant à basse température. Le comportement ferroélectrique est perdu au-dessus de 105 Kelvin. Les domaines et parois de domaines qui accompagnent ces transitions de phase font l'objet de recherches actives. Pourtant, il n'est pas encore tout à fait clair pourquoi le matériau se comporte comme il le fait. "C'est dans une ligue à part, " dit Tamalika Banerjee, professeur de spintronique des matériaux fonctionnels au Zernike Institute for Advanced Materials, Université de Groningue.

Les atomes d'oxygène dans le cristal semblent être la clé de son comportement. "Les lacunes d'oxygène peuvent se déplacer à travers le cristal et ces défauts sont importants, " dit Banerjee. " De plus, des parois de domaine sont présentes dans le matériau et elles se déplacent lorsqu'une tension lui est appliquée. » De nombreuses études ont cherché à savoir comment cela se produit, mais regarder à l'intérieur de ce matériel est compliqué. Cependant, L'équipe de Banerjee a réussi à utiliser un autre matériau unique en son genre :le graphène, la feuille de carbone bidimensionnelle.

Conductivité

"Les propriétés du graphène sont définies par sa pureté, " dit Banerjee, « alors que les propriétés de la STO découlent d'imperfections dans la structure cristalline. Nous avons découvert que les combiner conduit à de nouvelles perspectives et possibilités. » Une grande partie de ce travail a été réalisée par le Ph.D. de Banerjee. étudiant Si Chen. Elle a placé des bandes de graphène sur un flocon de STO et mesuré la conductivité à différentes températures en balayant une tension de grille entre des valeurs positives et négatives. "Quand il y a un excès d'électrons ou de trous positifs, créé par la tension de grille, le graphène devient conducteur, " explique Chen. " Mais au point où il y a de très petites quantités d'électrons et de trous, la pointe de Dirac, la conductivité est limitée."

Dans des circonstances normales, la position de conductivité minimale ne change pas avec la direction de balayage de la tension de grille. Cependant, dans les bandes de graphène au-dessus de STO, il y a une grande séparation entre les positions de conductivité minimale pour le balayage avant et le balayage arrière. L'effet est très clair à 4 Kelvin, mais moins prononcé à 105 Kelvin ou à 150 Kelvin. Analyse des résultats, ainsi que des études théoriques menées à l'Université d'Uppsala, montre que les lacunes en oxygène près de la surface de la STO sont responsables.

Mémoire

Banerjee :« Les transitions de phase en dessous de 105 Kelvin étirent la structure cristalline, créer des dipôles. Nous montrons que les lacunes d'oxygène s'accumulent au niveau des parois du domaine et que ces parois offrent le canal pour le mouvement des lacunes d'oxygène. Ces canaux sont responsables du comportement memristif dans STO. » L'accumulation de canaux d'inoccupation d'oxygène dans la structure cristalline de STO explique le déplacement de la position de la conductivité minimale.

Chen a également réalisé une autre expérience :« Nous avons maintenu la tension de grille STO à -80 V et mesuré la résistance dans le graphène pendant près d'une demi-heure. Au cours de cette période, nous avons observé un changement de résistance, indiquant un passage de la conductivité du trou à la conductivité électronique. » Cet effet est principalement causé par l'accumulation de lacunes d'oxygène à la surface du STO.

En tout, les expériences montrent que les propriétés du matériau combiné STO/graphène changent par le mouvement des électrons et des ions, chacun à des échelles de temps différentes. Banerjee :« En récoltant l'un ou l'autre, nous pouvons utiliser les différents temps de réponse pour créer des effets memristifs, qui peuvent être comparés à des effets de mémoire à court ou à long terme." L'étude crée de nouvelles informations sur le comportement des memristors STO. "Et la combinaison avec le graphène ouvre une nouvelle voie aux hétérostructures memristives combinant des matériaux ferroélectriques et des matériaux 2-D ."