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.
Мемристорные структуры, нанесенные на гибкую полимерную пленку (фото Н. Дмитриевой)
Детали работы сотрудников Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН (ИФП СО РАН) — научной группы под руководством доктора наук Ирины Антоновой, Объединенного 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 путем, 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 еще присвоить ей уровень значимости. Мемристоры способны «запоминать» количество протекшего через них заряда и менять свое 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 трехмерных наноструктур ИФП СО РАН кандидат физико-математических наук Артём Ильич Иванов.
Научный сотрудник ИФП СО РАН Артём Иванов за работой на 2D-принтере (фото В. Яковлева)
Технология изготовления образцов довольно проста: на тонкие полимерные пленки (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 всем 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», — подчеркивает исследователь.
Измерение электрофизических параметров мемристорных структур (фото предоставлено А. Ивановым)
«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 объемах, с которыми мы работаем сейчас, наши образцы выглядят перспективно. Важно, что продемонстрирован метод, как надежно и сравнительно быстро получать мемристоры на основе фторированного графена со сформированными облучением квантовыми точками», — говорит Артём Иванов.
Информация и фото предоставлены пресс-службой ИФП СО РАН
