Los científicos están trabajando en nuevos materiales para crear computadoras neuromórficas con un diseño basado en el cerebro humano. Un componente crucial es un dispositivo memristivo, cuya resistencia depende de la historia del dispositivo, al igual que la respuesta de las neuronas depende de la información previa. Los científicos de materiales de la Universidad de Groningen analizaron el comportamiento del óxido de estroncio y titanio, un material de plataforma para la investigación de memristor y usó el grafeno material 2-D para probarlo. El 11 de noviembre de 2020, los resultados fueron publicados en la revista Materiales e interfaces aplicados de ACS .

Computadoras basadas en conmutadores que tienen un valor de 0 o 1. Utilizando muchos de estos sistemas binarios, las computadoras pueden realizar cálculos muy rápidamente. Sin embargo, en otros aspectos, las computadoras no son muy eficientes. Los cerebros utilizan menos energía para reconocer rostros o realizar otras tareas complejas que un microprocesador estándar. Esto se debe a que el cerebro está formado por neuronas que pueden tener muchos valores distintos de 0 y 1 y porque la salida de las neuronas depende de la entrada previa.

Vacantes de oxígeno

Para crear memristores, conmuta con un recuerdo de eventos pasados, A menudo se utiliza óxido de estroncio y titanio (STO). Este material es una perovskita, cuya estructura cristalina depende de la temperatura y puede convertirse en un ferroeléctrico incipiente a bajas temperaturas. El comportamiento ferroeléctrico se pierde por encima de 105 Kelvin. Los dominios y las paredes de dominio que acompañan a estas transiciones de fase son objeto de una investigación activa. Sin embargo, todavía no está del todo claro por qué el material se comporta como lo hace. "Está en una liga propia, "dice Tamalika Banerjee, profesor de espintrónica de materiales funcionales en el Instituto Zernike de Materiales Avanzados, Universidad de Groningen.

Los átomos de oxígeno del cristal parecen ser la clave de su comportamiento. "Las vacantes de oxígeno pueden moverse a través del cristal y estos defectos son importantes, "dice Banerjee." Además, las paredes de dominio están presentes en el material y se mueven cuando se le aplica un voltaje ". Numerosos estudios han buscado averiguar cómo sucede esto, pero mirar dentro de este material es complicado. Sin embargo, El equipo de Banerjee logró usar otro material que está en una liga propia:el grafeno, la hoja de carbono bidimensional.

Conductividad

"Las propiedades del grafeno se definen por su pureza, "dice Banerjee, "mientras que las propiedades de STO surgen de imperfecciones en la estructura cristalina. Descubrimos que combinarlas conduce a nuevos conocimientos y posibilidades". Gran parte de este trabajo fue realizado por el Ph.D. de Banerjee. estudiante Si Chen. Colocó tiras de grafeno encima de un copo de STO y midió la conductividad a diferentes temperaturas barriendo un voltaje de puerta entre valores positivos y negativos. "Cuando hay un exceso de electrones o de huecos positivos, creado por el voltaje de la puerta, el grafeno se vuelve conductor, ", Explica Chen." Pero en el punto donde hay cantidades muy pequeñas de electrones y huecos, el punto de Dirac, la conductividad es limitada ".

En circunstancias normales, la posición de conductividad mínima no cambia con la dirección de barrido del voltaje de la puerta. Sin embargo, en las tiras de grafeno encima de STO, Existe una gran separación entre las posiciones de conductividad mínima para el barrido hacia adelante y el barrido hacia atrás. El efecto es muy claro a 4 Kelvin, pero menos pronunciado a 105 Kelvin o 150 Kelvin. Análisis de los resultados, junto con los estudios teóricos llevados a cabo en la Universidad de Uppsala, muestra que las vacantes de oxígeno cerca de la superficie de la STO son las responsables.

Memoria

Banerjee:"Las transiciones de fase por debajo de 105 Kelvin estiran la estructura cristalina, creando dipolos. Mostramos que las vacantes de oxígeno se acumulan en las paredes del dominio y que estas paredes ofrecen el canal para el movimiento de las vacantes de oxígeno. Estos canales son responsables del comportamiento memristivo en STO. "La acumulación de canales vacantes de oxígeno en la estructura cristalina de STO explica el cambio en la posición de la conductividad mínima.

Chen también llevó a cabo otro experimento:"Mantuvimos el voltaje de la puerta de STO en -80 V y medimos la resistencia en el grafeno durante casi media hora. En este período, observamos un cambio en la resistencia, indicando un cambio de la conductividad del hueco a la del electrón. "Este efecto es causado principalmente por la acumulación de vacantes de oxígeno en la superficie de STO.

Considerándolo todo, los experimentos muestran que las propiedades del material combinado de STO / grafeno cambian a través del movimiento de electrones e iones, cada uno en diferentes escalas de tiempo. Banerjee:"Al cosechar uno u otro, podemos usar los diferentes tiempos de respuesta para crear efectos memristivos, que se puede comparar con los efectos de la memoria a corto o largo plazo ". El estudio crea nuevos conocimientos sobre el comportamiento de los memristores STO". Y la combinación con el grafeno abre un nuevo camino hacia las heteroestructuras memristivas que combinan materiales ferroeléctricos y materiales 2-D . "