 |
BMe Kutatói pályázat |
|
Fizikai Tudományok Doktori Iskola
BME TTK, Fizika Tanszék/Fizikai Intézet
Témavezető: Dr. Mihály György
Memrisztorok kísérleti vizsgálata
A kutatási téma néhány soros bemutatása
Doktori munkám témája szigetelő vékonyrétegekben kialakított vezetési csatornák kísérleti vizsgálata. A csatornák vezetőképessége a rájuk adott feszültséggel változtatható, így kis méretű és gyors analóg memória építhető hálózatukból [S1].
A kutatóhely rövid bemutatása
Kutatásaimat a BME Fizika Tanszék Nanokontaktusok Laboratóriumában végzem, ahol a memrisztorok mellett a molekuláris elektronika a fő kutatási terület. A laboratórium a Szilárdtestfizika Laboratórium része, kiváló felszereltséggel rendelkezik mind alacsony, mind szobahőmérsékletű elektromos transzport kísérletek végzéséhez.
A kutatás történetének, tágabb kontextusának bemutatása
A memrisztor (angolul memristor) szó két angol kifejezés, a memory és a resistor szavak összeolvadásából keletkezett. Olyan passzív áramköri elemet értünk alatta, melynek ellenállása függ a rajta korábban átfolyt töltés mennyiségétől, azaz egyfajta memóriával rendelkezik. Egy ilyen áramköri elem feszültség-áram karakterisztikája hiszterézist mutat. A gyakorlatban bipoláris ellenállás-változást mutató rendszerek leírására használják. Elméleti létezését Leon Chua jósolta meg 1971-ben [H1], majd a 2000-es évek elején számos kísérleti megvalósítást publikáltak [H2,H3].
1. ábra: Jellegzetes feszültség-áram karakterisztika. Az itt látható kapcsolás 70 Ω és 30 Ω között zajlik.
Egy tipikus feszültség-áram karakterisztika látható az 1. ábrán. Zérus feszültségről indulva kis gerjesztésnél megmérhetjük a rendszer kiinduló ellenállását (Roff), majd folyamatosan növelve a feszültséget átalakulást hozunk létre a rendszeren. Ha újra csökkentjük a gerjesztést, az új állapotnak megfelelő ellenállást fogunk látni (Ron). Ellentétes polaritással a kiinduló állapot visszaállítható. Számítógépes memóriaként használhatjuk az eszközt, ha az ellenállásokat biteknek feleltetjük meg. Mivel a kialakítható ellenállások értéke analóg módon széles tartományon változik, így nem csak bináris számrendszerek reprezentálását teszi lehetővé.
A memrisztív viselkedést mutató anyagok tanulmányozása napjainkban kiemelkedően fontossá vált, ugyanis alkalmazásuk mind a számítástechnikában, mind a neurális hálózatok modellezése terén nagy előrelépést jelenthet. Egy néhány nanométeres memrisztoron tizedvoltos nagyságrendű feszültség hatására fémes állapotok közötti jelentős ellenállás-változást érhetünk el [S1], így méretüket és sebességüket tekintve a jelenleg forgalomban lévő memóriáknál kompaktabb és gyorsabb eszközöket készíthetünk belőlük.
A kutatás célja, a megválaszolandó kérdések
2. ábra: Ezüst és elektrokémiailag inert platina elektródák között elhelyezkedő ezüst-szulfid vékonyrétegben kialakuló vezetési csatorna felépülése [H4]
Az általam is vizsgált ezüst-szulfid rendszerben a vezető csatorna felépülését elektrokémiai fémesedéssel magyarázhatjuk [H5]. A szigetelő Ag2S egyik oldalán ezüst, a másikon egy kémiailag inert elektróda helyezkedik el (2. ábra). Megfelelő polaritású feszültség hatására az ezüst felületi atomjai ionizálódnak, az inert elektróda felé vándorolnak, aminek felületén redukálódva megkötődnek. Így vezető szál épül a szigetelőn keresztül a két elektróda közé, ez a vezető csatorna. Ezeket a csatornákat ezüst atomok mellett ezüstben gazdag ezüst-szulfid szigetek alkotják [H6,H7]. A korábbi szakirodalmi cikkekben [H8] a csatorna teljes felépülését és lebomlását vizsgálták, tehát Roff értéke nagyobb volt, mint 1 MΩ. Egy ilyen rendszer a szórt kapacitások miatti RC időállandóból adódóan csak lassú változásokra képes, ezért doktori munkám során alacsonyabb ellenállások közötti kapcsolásokat, a teljesen felépült csatorna ellenállásának változását vizsgáltam. Ez a korábban ismeretlen terület egy erősen nemegyensúlyi rendszeren lezajló változások feltérképezését jelentette.
Kutatásaim során Ag és PtIr elektródákat használtam, ahol a nagyobb ellenállásból kisebb ellenállásba történő kapcsolás dinamikáját vizsgáltam. Feladatom volt a kapcsoláshoz, azaz maradandó ellenállás-változáshoz szükséges legrövidebb idő meghatározása, valamint a kapcsolás időbeni lefolyásának vizsgálata. Itt a gerjesztés különböző paramétereinek, mint például a kiadott jel feszültségének és amplitúdójának hatását tanulmányoztam. Érdekes kérdés az is, hogy a kialakított állapot mennyi ideig őrződik meg, és ha van valamilyen felejtés a magára hagyott rendszerben, akkor azt mi okozza és milyen időfüggés szerint megy végbe. Vizsgáltam továbbá, hogy a feszültség - áram karakterisztikák felvételével előidézett kapcsolás milyen jellemző feszültség értékek fölött történik, ez hogy függ a környezet hőmérsékletétől és milyen fizikai folyamatok figyelembe vételével magyarázható.
Módszerek
Mintakészítés:
Szilícium hordozóra párologtatott ezüst vékonyrétegeket kén atmoszférába helyeztem, a kénezési idő változtatásával különböző vastagságú ezüst-szulfid réteg jött létre a felületen [H9]. Az optimális ezüst-szulfid vastagság körülbelül 30 nm, az ennél vékonyabb mintákon nagyon nehéz stabil kontaktust kialakítani, a vastagabbak esetén a kialakuló ellenállás félvezető jelleget mutat.
Kísérleti technikák:
A mérések döntő többségét STM (Scanning Tunneling Microscopy) geometriában végeztem, vagyis az Ag-Ag2S rétegstruktúrához nagyon finoman hozzáérintettem egy hegyes tűt. Itt nagyon pontos pozicionálásra és nagy mechanikai valamint termikus stabilitásra van szükség a mérések sikerességéhez, mivel akár egy-két nanométeres elmozdulás is tönkre teheti a kontaktust. Az ezüst vékonyréteg nagyon könnyen oxidálódik és ezáltal szigetelővé válik, emiatt a minták csak rövid ideig érintkezhetnek levegővel. Így a méréseket vákuumban végzem, a mintákat pedig argon atmoszférában tárolom. Továbbá, a dinamika vizsgálatához szükséges nagyfrekvenciás mérések esetén speciális kábelek szükségesek. Ezeket az igényeket figyelembe véve fejlesztettem egy szobahőmérsékletű mintatartót, ami a 3. ábrán látható. A termikus stabilitást a vastag, ezáltal nagy tömegű és hőkapacitású sárgaréz fal biztosítja. A mechanikai stabilitás növelése érdekében a mintatartó egy rezgésmentesítő asztalon helyezkedik el, valamint egy hő- és hangszigetelő anyaggal bevont doboz veszi körbe. A hőszigetelés fontosságát érzékelteti, hogy akár egy fok hőmérséklet-változás miatt bekövetkező hőtágulás hatására is felemelkedik a tű, és megszakad a kontaktus.
3. ábra: A szobahőmérsékletű mintatartó felépítése. A tű helyzete rögzített, a minta pozicionálása piezoelektromos mozgatókkal történik, amelyek nanométeres pontossággal tudják mozgatni a mintát a tér mindhárom irányában.
A kapcsolásért felelős fizikai folyamat feltérképezése miatt 4,2 K valamint szobahőmérséklet közötti széles hőmérséklet-tartományban végzett mérésekre volt szükség, amihez úgynevezett VTI -ba (Variable Temperature Inset) helyezett mintatartót használtam. A VTI-ban a hűtést egy folyékony nitrogénnel töltött külső, és egy folyékony héliummal teli belső köpeny végzi, amelyeket egymástól és a külvilágtól egy-egy vákuumköpeny választ el. A középen elhelyezkedő mintatartót a hélium hűti, valamint fűtőszál fűti, a hűtő- és fűtőteljesítmény optimalizálásával a mintatér hőmérséklete széles tartományban változtatható.
Mérésvezérlés:
A mérések végrehajtásához C# és LabView programnyelveken mérésvezérlő programokat írtam, melyek képesek a piezoelektromos mozgatók automatikus vezérlésére, ezáltal kontaktusok kialakítására. Emellett kommunikálnak a mérőműszerekkel, mint például a jelgenerátorral, oszcilloszkóppal, adatgyűjtő kártyával. A mért adatsorokat és a kiértékelésükhöz szükséges műszerbeállításokat ascii formátumú fájlokba írják. A kiértékeléseket az aktuális feladathoz írt Matlab kódok segítségével végzem el.
Eddigi eredmények
4. ábra [S1]: Ellenállás-változás gyors kapcsolás hatására. A kiadott pulzus 500 ps félérték-szélességű, a 2 ns-os látszólagos szélesség az oszcilloszkóp felbontásából ered.
Munkám során elsőként sikerült ezüst-szulfidban nanoszekundum alatti kapcsolásokat létrehozni [S1], ezáltal bemutatni, hogy akár GHz-es működésre is képes az ebből készített eszköz (4. ábra). A gyors működést a viszonylag kis Ron és Roff ellenállások teszik lehetővé, melyekre teljesül az Roff/Ron≅10 összefüggés, ezáltal a megbízható kiolvasás biztosított [H3]. A vezető csatornák átmérője Andreev-spektroszkópiás mérések alapján 2-5 nm között változik [S1], ami egy nagyságrenddel kisebb a jelenleg alkalmazott litográfiás technikákhoz képest. Továbbá, az adott állapot kiolvasásához vagy megváltoztatásához használt áram és feszültség értékek technikalilag optimális tartományba esnek. Összességében sikerült bizonyítani, hogy ezek az eszközök eleget tesznek az új generációs memóriákkal szemben tanúsított elvárásoknak [H3].
5. ábra [S2]: a) Roff/Ron ellenállásarány a meghajtójel amplitúdójának és frekvenciájának függvényében. b) Rögzített amplitúdó esetén eltérő gyorsasággal felvett görbék. c) Rögzített frekvencia esetén eltérő amplitúdójú mérések.
Az 5.a) ábrán látható, hogy változik az ellenállások aránya, azaz a kapcsolás nagysága, ha változtatjuk a feszültség-áram karakterisztika felvételekor kiadott fűrészfogjel amplitúdóját és frekvenciáját. Adott meghajtóamplitúdó esetén minél lassabban változik a kiadott jel, annál nagyobb kapcsolást eredményez, mivel egy adott feszültségérték hosszabb ideig tud hatást gyakorolni (5.b)). Adott gyorsaság esetén pedig a nagyobb amplitúdó nagyobb változást hoz létre (5.c)). Ebből levezethető [S2], hogy ha időben állandó feszültséget kapcsolunk a kontaktusra és a vele sorosan kötött védő ellenállásra, akkor a kontaktus ellenállás-változása nem-exponenciális időfüggést követ, azaz a kapcsolást nem lehet egyetlen időállandóval jellemezni. Méréseim alapján nanoszekundumtól szekundumig terjedő időskálán zajló változásokat sikerült kimutatni, ezáltal bizonyítani, hogy ebben az eszközben ötvözhető a nagy jelszinttel történő gyors írás, az alacsony jelszintű stabil kiolvasás, és az információ megőrzése feszültségmentes állapotban. Továbbá, ez az a tulajdonság, ami alkalmassá teszi ezt a rendszert az emberi idegrendszer modellezésére, ugyanis a neuronokat összekötő szinapszisok is hasonló tanulási és felejtési függvénnyel rendelkeznek.
6. ábra [S3]:
a) A feszültség-áram görbe sematikus illusztrációja karakterisztikus
feszültségek megjelölésével. A pontozott vonalak a lokális hőmérséklet
izotermáit jelölik. b) - e): A kontaktus és környezetének sematikus
képe. b) és d) tartományok az alacsony feszültségű szakaszokhoz
tartoznak, ahol lassú a változás, c) és e) pedig a kapcsolás során
felmelegedett környezetet mutatja.
A teljesen felépült vezető szál ellenállás-változásáért felelős fizikai mechanizmus feltérképezésére összesen körülbelül tízezer IV görbét vettem fel 4,2 K és szobahőmérséklet között, a soros ellenállás szimultán változtatásával. Ezen mérésekre alapozott az S3 publikációban részletesen ismertetett modell, amely figyelembe veszi a környezet hőmérsékletét, az Roff, Ron és a soros ellenállás értékét, a kapcsolást jellemző feszültségeket (amelyek a 6.a) ábrán vannak feltüntetve), valamint a jellemző kontaktusméretet és az elektronok elasztikus és inelasztikus szabad úthosszát. A modell lényege, hogy a feszültség növelésével a kontaktus hőmérséklete emelkedik, ami ha eléri az ezüst-szulfid fázisátalakulásához szükséges hőmérsékletet, akkor az ezüst ionok mobilitása megnő és az ellenállás-változás felgyorsul. Ha csökkentjük a feszültséget és ezáltal a hőmérsékletet, akkor a magas hőmérsékleten befagyott állapot fennmarad. Itt érdemes megjegyezni, hogy az ezüst-szulfidnak két módosulata van, egy alacsony hőmérsékleten kialakuló, ezüstben szegényebb és alacsonyabb vezetőképességű fázis, valamint egy magas hőmérsékleten képződő, de alacsony hőmérsékleten is stabil, ezüstben gazdag, jó vezetőképességű fázis. Tehát az ellenállás-változást meghatározó folyamat a termikusan aktivált, elektromos térvezérelt ionmigráció, melyet felgyorsít az ezüst-szulfidban lezajló struktúrális fázisátalakulás.
Várható impakt, további kutatás
Az ezüst-szulfidban kialakított vezető csatornák ellenállása analóg módon, GHz-es frekvenciával optimális feszültség és áram értékekkel változtatható, átmérőjük a litográfia felbontása alatti néhány nanométeres tartomány. Ezek a tulajdonságok mind elméleti, mind gyakorlati szempontból nagy jelentőségűek, mivel az ilyen eszközökre épülő gyors és kompakt memóriák számítógépes adattároláson [H10] túl neurális hálózatok modellezésére [H11] is alkalmasak. Más anyagokkal kombinálva különböző szenzorokban, például fényérzékelésben is felhasználható az effektus [H12]. Memrisztorokból felépített áramkörökkel logikai kapuk valósíthatóak meg, ezáltal a műveletek végzése és az adatok tárolása közös platformra integrálható. Így a von Neumann típusú számítógépekhez képest egy új, hibrid rendszer megvalósítása válik lehetővé.
A továbbiakban ezüst elektródák között létrehozott kontaktusokat fogok vizsgálni, amellyel nemcsak STM geometriában, hanem litografált elrendezésben is lehetséges ezüst-szulfid memrisztorok kialakítása. Ezáltal jelentősen megnő a kontaktusok mechanikai és elektromos stabilitása, nagy sűrűségű integrálhatósága és alkalmazhatósága is. Az ezüst-szulfidon túl más anyagokat is szeretnék tanulmányozni, mint például a fényképészetben használt ezüst-bromidot. További érdekes eredményeket hozhat a töltéssűrűség-hullám effektust mutató rendszerek memóriajelenségeinek feltérképezése is [H13].
Saját publikációk, hivatkozások, linkgyűjtemény
Kapcsolódó saját publikációk listája:
[S1]
A. Geresdi, M. Csontos, A. Gubicza, A. Halbritter and G. Mihály: Fast operation of nanometer-scale metallic memristors: highly transparent conductance channels in Ag2S devices, Nanoscale, 6, 2613 (2014)
[S2]
A. Gubicza, M.Csontos, A. Halbritter and G. Mihály: Non-exponential resistive switching in Ag2S memristors: a key to nanometer-scale non-volatile memory devices, Nanoscale, 7, 4394 (2015)
[S3]
A. Gubicza, M. Csontos, A. Halbritter and G. Mihály: Resistive switching in metallic Ag2S memristors due to a local overheating induced phase transition, Nanoscale, 7, 11248 (2015)
Linkgyűjtemény:
Tudományos cikkek gyűjteménye memrisztor témában
Hivatkozások listája:
Leon O. Chua: Memristor - The Missing Circuit Element, IEEE Transactions on circuit theory, vol. ct-18, no 5. (1971)
D. B. Strukov, G. S. Snider, D. R. Stewart and R. S. Williams: The missing memristor found. Nature Letters, 453, 80 (2008)
R. Waser, R. Dittmann, G. Staikov and K. Szot: Redox-based Resistive Switching Memories - Nanoionic Mechanism, Prospects and Challenges, Advanced Materials, 21, 2632 (2009)
K. Terabe, T. Hasegawa, C. Liang, and M. Aono: Control of local ion transport to create unique functional nanodevices based on ionic conductors, Science and Technology of Advanced Materials, 8, 536 (2007)
K. Terabe, T. Nakayama, T. Hasegawa and M. Aono: Formation and disappearance of a nanoscale silver cluster realized by solid electrochemical reaction, Journal of Applied Physics, 91, 12 (2002)
Z. Xu, Y. Bando, W. Wang, X. Bai and D. Goldberg: Real-Time In Situ HRTEM-Resolved Resistance Switching of Ag2S Nanoscale Ionic Conductor. ACS Nano, 4, 2515 (2010)
Z. Wang, T. Gu, T. Tada and S. Watanabe: Excess-silver-induced bridge formation in a silver sulfide atomic switch, Appl. Phys. Lett., 93, 152106 (2008)
T. Tamura, T. Hasegawa, K. Terabe, T. Nakayama, T. Sakamoto, H. Sunamura, H. Kawaura, S. Hosaka and M. Aono: Material dependence of switching speed of atomic switches made from silver sulfide and from copper sulfide, Journal of Physics: Conference Series 61, 1157 (2007)
A. Geresdi, A. Halbritter, E. Szilágyi, and G. Mihály: Probing of Ag-based Resistive Switching on the Nanoscale, MRS Proceedings, 1331 (2011)
J. J. Yang, D. B. Strukov and D. R. Stewart: Memristive devices for computing, Nature Nanotechnology 8, 13 (2013)
T. Ohno, T. Hasegawa, T. Tsukora, K. Terabe, J. K. Gimzewski and M. Aono: Short-term plasticity and long-term potentiation mimicked in single inorganic synapses. Nature Materials, 10, 591 (2011)
M. Aono and T. Hasegawa: The Atomic Switch, Proceedings of the IEEE, 98, 2228, (2010)
Kriza G, Mihaly G: Stretched-exponential Dielectric-relaxation in a Charge-density-wave System, Physical Review Letters 56, 2529 (1986)