a, Ilustración esquemática de la fuente de fotones memristivos (APS) a escala atómica con la nanoantena plasmónica (resaltada en un recuadro blanco discontinuo) que forma las puntas de los electrodos de Ag y Pt de forma casi triangular. b, Superposición de una imagen de electroluminiscencia de campo amplio con una imagen de transmisión óptica del APS. Se toma la imagen de electroluminiscencia del APS, acompañando un barrido de voltaje I - V de conmutación resistiva. c, Ilustración esquemática de la fuente de fotones atómicos que emite fotones durante el proceso de conmutación memristiva. El filamento de Ag crece desde el Pt hacia el electrodo de Ag. El punto rojo brillante representa los fotones emitidos en un origen probable en el espacio de la fuente de fotones atómicos. Crédito:Bojun Cheng, Till-Maurice Zellweger, Konstantin Malchow, Xinzhi Zhang, Mila Lewerenz, Elias Passerini, Jan Aeschlimann, Ueli Koch, Mathieu Luisier, Alexandros Emboras, Alexandre Bouhelier y Juerg Leuthold
Las fuentes de fotones en chip compactas y compatibles con CMOS han atraído mucho la atención de la comunidad científica y la industria de los semiconductores. A medida que el tamaño de las características del transistor se reduce continuamente, la densidad de integración y la velocidad de conmutación en los circuitos electrónicos integrados aumentan exponencialmente. Esto conduce a una disipación de potencia cada vez mayor de las conexiones eléctricas entre los elementos del circuito. Las interconexiones ópticas (fotónicas) y su elemento central, la fuente de fotones en el chip, representan una alternativa prometedora para eludir esta limitación. Sin embargo, las fuentes de fotones en chip de última generación más prometedoras suelen tener un tamaño de escala micrométrica:1000 veces más grande que los transistores y evitan la integración a gran escala. Los memristores, con áreas activas en la escala nanométrica o incluso atómica, podrían combinarse ventajosamente con funciones ópticas para sortear esta limitación y proporcionar funcionalidades versátiles.
En un artículo reciente publicado en Light:Science &Applications , investigadores de ETH Zurich y la Universidad de Borgoña demuestran memristores a escala atómica capaces de emitir fotones durante la conmutación resistiva. Esta "Fuente de fotones atómicos", como se la denomina en el documento, consiste en un Ag plano/SiOx amorfo Unión /Pt con electrodos especialmente diseñados que forman antenas ópticas para mejorar en gran medida la eficiencia de emisión. En la Figura 1a se muestra una ilustración de la estructura del dispositivo. Como se muestra en la Figura 1b, la emisión de luz de la "Fuente de fotones atómicos" puede ser detectada por una cámara CCD. Como se ilustra en la Figura 1c, la luz se emite durante la formación de una conexión eléctrica entre los dos electrodos, que consta de átomos de plata que se juntan para formar un filamento metálico.
Los investigadores dan además una explicación sobre el origen de la emisión de luz en la "Fuente de fotones atómicos". Con una variedad de experimentos, demuestran que la emisión de luz proviene de un reordenamiento atómico del amorfo SiOx causada por la conmutación resistiva. La composición atómica se altera localmente, formando sitios luminiscentes. Luego, estos sitios se excitan eléctricamente y emiten fotones mediante un proceso de relajación radiativo.
Debido a su tamaño compacto y su fabricación compatible con CMOS, esta "Fuente de fotones atómicos" podría desencadenar un nuevo paradigma conceptual para los dispositivos que operan a nivel atómico con funcionalidades eléctricas y ópticas integradas en el mismo componente a nanoescala. Como tal, resuelve el desajuste de tamaño entre las actuales fuentes de fotones en chip de última generación del tamaño de un micrómetro y los dispositivos eléctricos del tamaño de un nanómetro.
Los memristores son una categoría emergente de dispositivos que operan en el régimen de escala nanométrica y se basan en un conjunto diferente de efectos de escala atómica que permiten ajustar el valor de resistencia de los dispositivos a un valor deseado. En el caso de las memorias de metalización electroquímica (ECM), el tipo de memristores investigados por los investigadores, los dispositivos consisten en una pila de metal-aislante-metal asimétrica simple y compatible con CMOS. Al aplicar un voltaje, un átomo de metal activo se oxida a iones, se desplaza a lo largo del campo eléctrico a través del aislador hasta el electrodo pasivo y finalmente forma un filamento metálico conductor de tamaño nanométrico.
Este proceso se puede invertir y repetir, y los datos se pueden almacenar como la resistencia entre los electrodos (estado de resistencia). Además de las memorias de alta densidad, los memristores actualmente reciben mucha atención en sus aplicaciones, donde sobresalen en comparación con la tecnología CMOS, como la computación neuromórfica y en memoria. Curiosamente, los memristores también se pueden combinar ventajosamente con funciones ópticas:se han introducido interruptores ópticos y fotodetectores controlados por memristive. Sin embargo, hasta ahora, la operación fotónica de un memristor se basa en fuentes de fotones externas o cointegradas. Mejores memristores para computación similar al cerebro
