通過(guò)結(jié)合初始鐵電體和石墨烯對(duì)憶阻器的新見(jiàn)解

科學(xué)家們正在研究新材料，根據(jù)人腦的設(shè)計(jì)制造神經(jīng)形態(tài)計(jì)算機(jī)。憶阻器是一個(gè)至關(guān)重要的組件，它的憶阻器依賴于設(shè)備的歷史，就像神經(jīng)元的響應(yīng)依賴于之前的輸入一樣。格羅寧根大學(xué)的材料科學(xué)家分析了憶阻器研究的平臺(tái)材料鍶鈦氧化物的性質(zhì)，并使用二維材料石墨烯對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。2020年11月11日，研究結(jié)果發(fā)表在《ACS應(yīng)用材料與界面》雜志上。

基于0或1值開關(guān)的計(jì)算機(jī)。有了許多這樣的二進(jìn)制系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)可以非?？焖俚剡M(jìn)行計(jì)算。然而，在其他方面，計(jì)算機(jī)的效率并不是很高。與標(biāo)準(zhǔn)微處理器相比，大腦在識(shí)別人臉或執(zhí)行其他復(fù)雜任務(wù)時(shí)消耗的能量更少。那是因?yàn)榇竽X是由神經(jīng)元組成的，神經(jīng)元可以有除了0和1之外的很多值，還因?yàn)樯窠?jīng)元的輸出依賴于之前的輸入。

氧空位

為了制造憶阻器，具有過(guò)去事件記憶的開關(guān)通常使用鈦酸鍶(STO)。這種材料是鈣鈦礦，其晶體結(jié)構(gòu)取決于溫度，在低溫下可以成為初始鐵電體。鐵電行為在105開爾文溫度以上消失。伴隨這些相變的疇和疇壁是積極研究的主題。然而，目前還不清楚為什么材料會(huì)顯示這種行為。澤尼克先進(jìn)材料研究所功能材料自旋電子學(xué)教授塔馬利卡班納吉說(shuō)：“這是一個(gè)獨(dú)立的聯(lián)盟?！?

晶體中的氧原子似乎是其行為的關(guān)鍵。班納吉說(shuō)：“氧空位可以穿過(guò)晶體，而這些缺陷非常重要?！?此外，疇壁存在于材料中，當(dāng)施加電壓時(shí)，它們移動(dòng)."許多研究試圖找出這是如何發(fā)生的，但是要深入了解這些材料是很復(fù)雜的。然而，班納吉的團(tuán)隊(duì)成功地在其聯(lián)盟中使用了另一種材料：石墨烯(二維碳板)。

電導(dǎo)率

班納吉說(shuō)：“石墨烯的性質(zhì)由純度決定，而STO的性質(zhì)來(lái)自晶體結(jié)構(gòu)的缺陷。我們發(fā)現(xiàn)，將它們結(jié)合起來(lái)會(huì)帶來(lái)新的見(jiàn)解和可能性?！贝蟛糠止ぷ魇怯砂嗉{吉博士完成的。學(xué)生思考早晨。她將石墨烯條放在STO片的頂部，通過(guò)掃描正負(fù)之間的柵極電壓來(lái)測(cè)量不同溫度下的電導(dǎo)率。陳解釋說(shuō)：“當(dāng)柵極電壓產(chǎn)生太多電子或空穴時(shí)，石墨烯就會(huì)導(dǎo)電?！薄暗窃陔娮雍涂昭〝?shù)量非常少的點(diǎn)上，狄拉克點(diǎn)的電導(dǎo)率是有限的?！?

在正常情況下，最小導(dǎo)電率的位置不會(huì)隨著柵極電壓的掃描方向而改變。然而，在STO頂部的石墨烯帶中，正向掃描和反向掃描的最小電導(dǎo)率位置之間有很大的距離。效應(yīng)在4開爾文時(shí)非常明顯，但在105 K或150 K時(shí)不明顯。烏普薩拉大學(xué)的結(jié)果分析和理論研究表明，STO表面附近的氧空位是造成這種情況的原因。

記憶

班納吉：“低于105開爾文的相變拉伸了晶體結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了偶極子。我們表明氧空位聚集在疇壁上，這些疇壁為氧空位的運(yùn)動(dòng)提供了通道。這些通道是STO記憶行為的原因?！盨TO晶體結(jié)構(gòu)中氧空位通道的積累解釋了最小電導(dǎo)率位置的變化。

陳還進(jìn)行了另一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)：“我們將柵極電壓保持在-80 V，并在石墨烯中測(cè)量了近半小時(shí)的電阻。在此期間，我們觀察到電阻發(fā)生了變化，表明了從空穴到電子電導(dǎo)率的轉(zhuǎn)變?！边@種效應(yīng)主要是由STO表面氧空位的積累引起的。

總之，實(shí)驗(yàn)表明，show石墨烯復(fù)合材料的特性會(huì)隨著電子和離子的運(yùn)動(dòng)而變化，并且電子和離子的運(yùn)動(dòng)會(huì)分別在不同的時(shí)間范圍內(nèi)。班納吉：“通過(guò)收獲其中的一種，我們可以利用不同的響應(yīng)時(shí)間來(lái)產(chǎn)生憶阻效應(yīng)，這可以與短期或長(zhǎng)期記憶效應(yīng)進(jìn)行比較?！边@項(xiàng)研究為STO憶阻器的行為提供了新的見(jiàn)解?！芭c石墨烯的結(jié)合為鐵電材料和二維材料的憶阻異質(zhì)結(jié)構(gòu)開辟了新的途徑?！?

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