Dr. Ilia Valov (frente a la izquierda) en el Cluster de Óxidos en Forschungszentrum Jülich, donde se llevaron a cabo experimentos para el trabajo actual. Al fondo:Michael Lübben (centro) y el profesor Rainer Waser (derecha) Crédito:RWTH Aachen / Peter Winandy
Científicos de todo el mundo están trabajando intensamente en dispositivos memristivos que consumen poca energía y se comportan de manera similar a las neuronas del cerebro. Investigadores de la Jülich Aachen Research Alliance (JARA) y el grupo tecnológico alemán Heraeus informan ahora del control sistemático del comportamiento funcional de estos elementos. Las diferencias más pequeñas en la composición del material resultaron ser cruciales, tan pequeño que hasta ahora, los expertos no se habían percatado de ellos. Las instrucciones de diseño de los investigadores podrían ayudar a aumentar la variedad, eficiencia, selectividad y confiabilidad para aplicaciones basadas en tecnología memristiva, por ejemplo, energía eficiente, dispositivos de almacenamiento no volátiles o computadoras inspiradas en neurología.
La corporación japonesa NEC instaló los primeros prototipos memresistivos en satélites espaciales en 2017. Muchas otras empresas líderes como Hewlett Packard, Intel, IBM y Samsung están trabajando para llevar al mercado tipos innovadores de computadoras y dispositivos de almacenamiento basados en elementos memristivos.
Fundamentalmente, los memristores son simplemente "resistencias con memoria, "en el que la alta resistencia se puede cambiar a baja resistencia y viceversa. Esto significa, en principio, que los dispositivos son adaptables, similar a una sinapsis en un sistema nervioso biológico. "Los elementos memristivos se consideran candidatos ideales para computadoras inspiradas en neurología modeladas en el cerebro, que están atrayendo un gran interés en relación con el aprendizaje profundo y la inteligencia artificial, "dice la Dra. Ilia Valov del Instituto Peter Grünberg (PGI-7) en Forschungszentrum Jülich.
En el último número de la revista de acceso abierto Avances científicos, él y su equipo describen cómo se puede controlar selectivamente la conmutación y el comportamiento neuromórfico de los elementos memristivos. Según sus hallazgos, el factor crucial es la pureza de la capa de óxido de conmutación. "Dependiendo de si utiliza un material con una pureza del 99,999999%, y si introduce un átomo extraño en 10 millones de átomos de material puro, o en 100 átomos, las propiedades de los elementos memristivos varían sustancialmente, "dice Valov.
Hasta ahora, los expertos habían pasado por alto este efecto. Se puede utilizar de forma muy específica para diseñar sistemas memristivos, de forma similar al dopaje de semiconductores en la tecnología de la información. "La introducción de átomos extraños nos permite controlar la solubilidad y las propiedades de transporte de las delgadas capas de óxido, "explica el Dr. Christian Neumann del grupo tecnológico Heraeus. Ha estado contribuyendo con su experiencia en materiales al proyecto desde que se concibió la idea inicial en 2015.
"En años recientes, Ha habido un progreso notable en el desarrollo y uso de dispositivos memristivos, sin embargo, ese progreso se ha logrado a menudo sobre una base puramente empírica, "según Valov. Utilizando los conocimientos adquiridos por su equipo, Los fabricantes ahora podrían desarrollar metódicamente elementos memristivos seleccionando las funciones que necesitan. Cuanto mayor sea la concentración de dopaje, cuanto más lenta es la resistencia de los elementos cambia a medida que aumenta y disminuye el número de pulsos de voltaje entrantes, y más estable permanece la resistencia. "Esto significa que hemos encontrado una manera de diseñar tipos de sinapsis artificiales con diferente excitabilidad, "dice Valov.
Sinapsis las conexiones entre neuronas, tienen la capacidad de transmitir señales con diversos grados de fuerza cuando son excitadas por una rápida sucesión de impulsos eléctricos. Un efecto de esta actividad repetida es aumentar la concentración de iones calcio, con el resultado de que se emiten más neurotransmisores. Dependiendo de la actividad otros efectos provocan cambios estructurales a largo plazo, que impactan la fuerza de la transmisión durante varias horas, o potencialmente incluso por el resto de la vida de la persona.Los elementos de la memoria permiten cambiar la fuerza de la transmisión eléctrica de manera similar a las conexiones sinápticas, aplicando un voltaje. En celdas de metalización electroquímica (ECM), se desarrolla un filamento metálico entre los dos electrodos metálicos, aumentando así la conductividad. La aplicación de pulsos de voltaje con polaridad invertida hace que el filamento se contraiga nuevamente hasta que la celda alcanza su estado inicial de alta resistencia. Crédito:Forschungszentrum Jülich / Tobias Schloesser
Especificación de diseño para sinapsis artificiales
La capacidad del cerebro para aprender y retener información se puede atribuir en gran medida al hecho de que las conexiones entre las neuronas se fortalecen cuando se utilizan con frecuencia. Dispositivos de memoria, de los cuales hay diferentes tipos, como las celdas de metalización electroquímica (ECM) o las celdas de memoria de cambio de valencia (VCM), comportarse de manera similar. Cuando se utilizan estos componentes, la conductividad aumenta a medida que aumenta el número de pulsos de voltaje entrantes. Los cambios también se pueden revertir aplicando pulsos de voltaje de polaridad opuesta.
Los investigadores de JARA realizaron sus experimentos sistemáticos en ECM, que constan de un electrodo de cobre, un electrodo de platino y una capa de dióxido de silicio entre ellos. Gracias a la cooperación con los investigadores de Heraeus, los científicos de JARA tuvieron acceso a diferentes tipos de dióxido de silicio:uno con una pureza del 99,999999%, también llamado dióxido de silicio 8N, y otros que contienen de 100 a 10, 000 ppm (partes por millón) de átomos extraños. El vidrio dopado con precisión utilizado en sus experimentos fue desarrollado y fabricado especialmente por el especialista en vidrio de cuarzo Heraeus Conamic. que también tiene la patente del procedimiento. El cobre y los protones actuaron como agentes de dopaje móviles, mientras que el aluminio y el galio se utilizaron como dopaje no volátil.
El tiempo récord de conmutación confirma la teoría
Basado en su serie de experimentos, los investigadores pudieron demostrar que los tiempos de conmutación de ECM cambian a medida que cambia la cantidad de átomos de dopaje. Si la capa de conmutación está hecha de dióxido de silicio 8N, el componente memristive cambia en solo 1.4 nanosegundos. Hasta la fecha, el valor más rápido jamás medido para ECM había sido de alrededor de 10 nanosegundos. Dopando la capa de óxido de los componentes con hasta 10, 000 ppm de átomos extraños, el tiempo de conmutación se prolongó en el rango de milisegundos.
“También podemos explicar teóricamente nuestros resultados. Esto nos está ayudando a comprender los procesos físico-químicos a nanoescala y aplicar este conocimiento en la práctica, "dice Valov. Basado en consideraciones teóricas generalmente aplicables y respaldado por resultados experimentales, está convencido de que el efecto dopaje / impureza se produce y puede emplearse en todo tipo de elementos memristivos.
