Повідомлення про помилку

Warning: ini_set() [function.ini-set]: A session is active. You cannot change the session module's ini settings at this time in drupal_environment_initialize() (line 692 of /home/visnyk-nanu/www/includes/bootstrap.inc).

Вісник НАН України. 2014. №2. С. 32-39.
https://doi.org/10.15407/visn2014.02.032

БІЛОГОЛОВСЬКИЙ Михайло Олександрович –
доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник
відділу теорії динамічних властивостей складних систем
Донецького фізико-технічного інституту ім. О.О. Галкіна НАН України 

МЕМРИСТОР – НОВИЙ НАНОРОЗМІРНИЙ ЕЛЕМЕНТ ЕЛЕКТРОННОЇ СХЕМОТЕХНІКИ

У 2008 р. було оголошено про створення мемристора, четвертого базового компонента електронних схем зі здатністю накопичувати інформацію щодо заряду, який пройшов крізь нього. В огляді йдеться про історію цього відкриття, його значущість для подальшого розвитку мікро- і наноелектроніки, фундаментальні аспекти проблеми, а також про внесок українських дослідників у їх розв’язання. Обговорено переваги мемристора порівняно з традиційними елементами електронної схемотехніки та перспективи його практичного застосування.
Ключові слова:
мікроелектроніка, резистивні перемикання, електроміграція, кисневі вакансії, комп’ютерна пам’ять, нейроморфні мережі.

У 1971 р. американський теоретик-схемотехнік Леон Чуа (L. Chua) ввів поняття мемристора, назву якого було утворено шляхом об’єднання двох слів – memory і resistor, тобто опір з пам’яттю [1]. Як відомо, електричне коло можна описати чотирма фізичними величинами: двома локальними – силою струму і зарядом та двома диференціальними – магнітним потоком і різницею потенціалів (електричною напругою). Ці чотири характеристики попарно пов’язані одна з одною. Так, опір визначає взаємозв’язок сили струму і напруги, ємність – напруги і заряду, індуктивність – магнітного потоку і сили струму. Відповідно є три базові матеріальні елементи, які реалізують ці взаємозв’язки, – резистор, конденсатор і котушка індуктивності (рис. 1). Не вистачало четвертого базового елемента, який пов’язав би магнітний потік із зарядом. Як показав Л. Чуа, його неможливо скласти із зазначених трьох пасивних елементів, хоча можна змоделювати за допомогою комбінації активних пристроїв, наприклад операційних підсилювачів. Отже, ще до недавнього часу основні електричні схеми було побудовано на трьох пасивних елементах. Щодо четвертого елемента, то у своїй роботі [1] Л. Чуа лише продемонстрував теоретичну можливість існування мемристора, проте не вказав шляхи його фізичної реалізації.

І ось у 2008 р. (через 37 років після пророцтва Л. Чуа) група вчених із компанії Hewlett Packard під керівництвом Стенлі Вільямса (Stanley Williams) оголосили про створення четвертого, «втраченого» елемента [2]. Цей науковий прорив став можливим завдяки появі нових матеріалів і відповідних нанотехнологій. Реалізований у роботі [2] пристрій складається з розташованого між двома надтонкими металевими електродами подвійного шару діоксиду титану завтовшки близько 5 нм, одна частина якого – це TiO2 стехіометричного складу і є ізолятором, а друга – той самий TiO2, але збіднений киснем, і тому провідний. Завдяки дифузії кисню під дією прикладеного електричного поля товщини цих шарів змінюються: залежно від полярності електричної напруги один із них зростає, а другий – зменшується. В результаті залежність струму, що проходить через такий нанорозмірний об’єкт, від прикладеної напруги має двозначний характер, тобто демонструє гістерезис.

Саме наявність гістерезисної кривої в площині струм – напруга при подаванні на електронний пристрій змінного струму або напруги і була, згідно з Л. Чуа [1], одним із основних доказів того, що дослідники мали справу саме з мемристором. Виникнення гістерезису пов’язане з тим, що частота відгуку мемристора відрізняється від частоти зовнішнього струму або поданої напруги f. Ця різниця виникає через те, що мемристорний опір залежить від передісторії. У цьому разі у відгуку на періодичне збурення з’являються доданки з частотами, кратними f вихідній, і вимірювана вольт-амперна характеристика має двозначний характер подібно до фігур Ліссажу, які виникають при одночасному русі точки в двох взаємно перпендикулярних напрямках з різними частотами.

Втім, слід зазначити, що про сам факт наявності неоднозначної залежності струму від напруги в тонких оксидних плівках (зокрема, у діоксиді титану [3]) було відомо ще з 60-х років минулого століття. Згодом, із поступовим зменшенням діаметра металевих провідних ліній, це явище почало становити дедалі більший інтерес для мікроелектроніки. Виявилося, що внаслідок руху іонізованих атомів металу під дією прикладених до нього високих електричних полів (електроміграція) відбувається накопичення вакансій у певному місці мікропровідника, зародження і розвиток там мікропорожнин. Отже, електроміграція є деструктивним чинником, що знижує довговічність інтегральних мікросхем [4]. Однак в обговорюваному випадку той самий ефект відіграє позитивну роль, оскільки завдяки дифузії кисню електричний опір на різних гілках вольт-амперної характеристики мемристора може відрізнятися на кілька порядків [2]. До того ж після вимкнення струму ці зміни резистивного стану зберігаються, і лише зміна полярності струму може перемкнути стан мемристора. Повний текст