Ученые ЛЭТИ определили физические параметры, от которых зависит управление элементами памяти для нейроморфных компьютеров будущего

Эксперименты проводились на пленках из титаната бария (BaTiO3), который является перспективным материалом для создания вычислительных устройств на новых физических принципах.

Сегодня широко распространенная и сравнительно недорогая вычислительная техника, в основе которой лежит кремниевая компонентная база, подходит к пределам своих возможностей по компактности, быстродействию и энергопотреблению.

Среди перспективных научных направлений в этой сфере – разработка мемристоров, наноразмерных электрических элементов, которые способны изменять значение своего сопротивления под действием напряжения и «запоминать» это состояние на длительное время. При этом для «хранения» заданного уровня сопротивления (резистивного состояния) таким устройствам не требуется потребление энергии. Это позволяет реализовать на основе мемристоров компактные энергонезависимые электронные компоненты, которые могут хранить и обрабатывать информацию. Поэтому исследовательские группы разных стран мира ведут поиски новых более эффективных материалов для создания подобных устройств, а также разрабатывают и методы их применения.

В частности, эту работу ведут ученые кафедры микро- и наноэлектроники (МНЭ) СПбГЭТУ «ЛЭТИ». В основе созданных ими мемристоров лежат пленки нанометровой толщины из титаната бария – сегнетоэлектрика, поляризацией которого можно управлять при помощи электрического поля.

«Мы провели ряд экспериментов, которые были направлены на выявление новых физических механизмов, обусловливающих проявление многоуровневых резистивных эффектов в пленках титаната бария», – рассказывает профессор кафедры МНЭ СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Наталья Владимировна Андреева.

В рамках экспериментов ученые оценивали физические свойства материалов в условиях сверхвысокого вакуума (т.е. при давлении на несколько порядков ниже того, что существует в космосе) и в диапазоне температур 30-300 кельвинов (от -243 – до 26 градусов Цельсия). Измерения проводились методами сканирующей туннельной микроскопии и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии с травлением. Эксперименты проводились в том числе с использованием научной инфраструктуры мирового уровня в ресурсном центре «Физические методы исследования поверхности» Научного парка Санкт-Петербургского государственного университета.

Для объяснения эффектов, которые исследователи наблюдали в ходе экспериментов, была разработана специальная математическая модель, представляющая собой систему дифференциальных уравнений. С ее помощью ученым удалось установить физические процессы, вследствие которых в пленках титаната бария изменяется резистивное состояние.

«Мы показали, что переключение сопротивления в пленках титаната бария обусловлено целой комбинацией нескольких эффектов (влияние интерфейсных областей, состояние поляризации, процессы транспорта заряда, особенности микроскопических характеристик наноструктур). Полученные результаты – это значимый вклад в создание мемристоров с многоуровневой резистивной памятью, которые могут стать основой для нейроморфных компьютеров будущего», – пояснила Наталья Владимировна.

Результаты работы ученых опубликованы в научном журнале Advanced Electronic Materials (Q1, IF =6,7). Данные исследования проводятся по гранту Российского научного фонда (№ 21-79-20073).