Научный сотрудник ИФП СО РАН кандидат наук Артём Иванов за работой на 2D принтере (фото В. Яковлева)
Российские учёные улучшили элементы памяти для гибкой электроники, облучив фторированный графен тяжёлыми ионами.
Благодаря облучению ионами ксенона, исследователи модифицировали фторированный графен: удалили фтор и создали проводящие квантовые точки в матрице изолирующего материала. На основе таких структур были сделаны мемристоры – элементы памяти, которые применяются для создания гибких датчиков в носимой электронике, медицинских, производственных сенсорах.
Детали работы сотрудников Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН (ИФП СО РАН) – научной группы под руководством доктора наук Ирины Антоновой, Объединённого института ядерных исследований (ОИЯИ), Новосибирского государственного технического университета, Университета Николая Коперника (Польша), опубликованы в журнале Materials.
Новое исследование – продолжение работы специалистов ИФП СО РАН по созданию элементов памяти для гибкой электроники на основе соединений графена. Ранее эта же научная группа сделала мемристоры, модифицируя графен химическим путём, с целью получить систему квантовых точек в матрице фторированного графена. Преимущество облучения в том, что оно позволяет добиться создания такой системы (нужной для работы мемристоров), более контролируемо и воспроизводимо. Исследование поддержано Российским научным фондом (проект № 19-72-10046, руководитель Небогатикова Н.А.).
Мемристор – микроэлектронный компонент, по своим свойствам похожий на синапс – место контакта двух нейронов. В отличие от транзистора, мемристор способен не только передавать информацию в режиме «0» или «1», а ещё присвоить ей уровень значимости. Мемристоры способны «запоминать» количество протекшего через них заряда и менять своё сопротивление в зависимости от этого. Если подать высокое напряжение, мемристорная система станет открытой – будет проводить электрический ток, а при смене полярности напряжения – закроется.
«Наши мемристорные системы на основе облученного фторированного графена открываются и закрываются благодаря формированию и разрушению путей протекания электрического тока по графеновым квантовым точкам. Разница токов в открытом и закрытом состоянии – 2-4 порядка: такого диапазона достаточно, чтобы сделать ячейки памяти. Мемристорная память энергонезависима и совмещает в себе достоинства оперативной и флеш-памяти. Переключение мемристора (из закрытого в открытое состояние), то есть перезапись информации, происходит за 30-40 наносекунд. Это примерно в 1000 раз быстрее, чем у современной флеш-памяти. Наносекунда – миллиардная доля секунды», – поясняет автор исследования, научный сотрудник лаборатории физики и технологии трёхмерных наноструктур ИФП СО РАН, кандидат физико-математических наук Артём Ильич Иванов.
Измерение электрофизических параметров мемристорных структур (фото предоставлено А. Ивановым)
Технология изготовления образцов довольно проста: на тонкие полимерные плёнки (из поливинилового спирта) методом 2D печати наносился фторированный графен, также разработанный и созданный в ИФП СО РАН. Затем готовые структуры облучались в ОИЯИ высокоэнергетичными ионами, после чего во всех структурах наблюдались резистивные переключения, то есть такие, когда сопротивление материала обратимо меняется в ответ на изменение электрического поля.
Нужно отметить, что облучение ионами можно использовать для промышленного технологического процесса. Так, одна из наиболее известных разработок ОИЯИ – изготовление трековых мембран (именно при помощи облучения) для фильтрации растворов для технологий нано- и микроэлектроники и бытовых нужд, когда мембраны создаются рулонами.
«Наши дальнейшие планы работы с новым материалом – показать, как взаимодействуют ячейки памяти в массиве, для этого мы сделаем небольшие логические электронные схемы: «И», «Не», «Или». Существует множество параметров, на которые может влиять соединение ячеек, и нам нужно проверить, как будут мемристоры чувствовать себя в системе из нескольких элементов», – добавляет Артём Иванов.
Исследования по созданию энергонезависимой памяти для гибкой электроники ведутся во всём мире.
«В основном, такую память пытаются сделать на основе оксида графена и полимерных материалов, дихалькогенидов металлов. У них есть свои плюсы и минусы: например, оксид графена способен восстанавливаться под действием напряжения, температуры – он менее стабилен, чем фторированный графен, который используем мы. Важно понимать, что в случае создания гибких носителей, мы не соревнуемся с привычной твердотельной электроникой на кремнии – там иные свойства, многие параметры лучше, но твердотельная электроника не способна функционировать в условиях деформации», – подчёркивает исследователь.
«Опубликованная работа – первый шаг в направлении использования облучения как метода формирования массива квантовых точек в матрице фторированного графена. Любая технология требует отладки. На экспериментальных, небольших объёмах, с которыми мы работаем сейчас, наши образцы выглядят перспективно. Важно, что продемонстрирован метод, как надёжно и сравнительно быстро получать мемристоры на основе фторированного графена со сформированными облучением квантовыми точками», – говорит Артём Иванов.
Пресс-служба ИФП СО РАН
Обратная связь