Подзаголовок: Новые устройства могут использоваться для разработки
компьютеров, функционирующих по принципу человеческого мозга
Научной группе из новосибирского Академгородка
удалось впервые в мире создать уникальные нанопереключатели — приборы на основе
монокристаллов двуокиси ванадия (VO2), которые резко и обратимо изменяют свое
сопротивление и при этом демонстрируют рекордную энергоэффективность, сравнимую
по эффективности с нейроном, высокое быстродействие и долговечность.
Предложенная технология формирования переключателей интегрируется в хорошо
развитую кремниевую технологию, что обеспечивает ее дешевизну. Большие массивы
таких нанопереключателей перспективны для создания посткремниевой
электроники и нейрокомпьютеров, работающих по принципам человеческого мозга.
Подробности
исследования сотрудников Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО
РАН и Института неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН опубликованы в
престижном научном журнале Nanoscale.
Новый результат — продолжение работы, в ходе которой та же научная группа впервые
синтезировала массивы упорядоченных монокристаллов диоксида ванадия. Этот
материал — один из самых перспективных для создания компьютеров,
функционирующих по принципу человеческого мозга: диоксид ванадия может очень
быстро переходить из полупроводникового состояния в металлическое и обратно.
«Переключатель представляет собой нанокристалл двуокиси ванадия с двумя
контактами, один из которых — внедренная в кристалл проводящая кремниевая наноигла,
с радиусом закругления около 10 нанометров. Благодаря остроте контакта, у его
вершины концентрируется электрическое поле и ток, что и обеспечивает малое
напряжение переключения из полупроводникового в металлическое состояние. Это
обеспечивает рекордную энергоэффективность прибора, которая сравнима с
эффективностью нейрона. Для внедрений важно, что прибор практически весь
кремниевый — и подложка, и наноигла, и второй контакт.
Лишь нанокристалл между контактами - двуокись ванадия. Стандартной технологией
сформировать такую трехмерную наноструктуру невозможно, тем более что
подходящих подложек не существует. В
основе нашей технологии лежат обнаруженные нами условия синтеза нанокристалла
двуокиси ванадия на вершине кремниевой наноиглы», — объясняет заведующий
лабораторией ИФП СО РАН, первый автор статьи в Nanoscale член-корреспондент РАН Виктор Яковлевич Принц.
Такие нанопереключатели необходимы
для нейроморфных систем как аналоги нейронов. На данный момент плотность
сформированных нанопереключателей — миллион на квадратный сантиметр, однако, ее
можно увеличить в тысячу раз.
«С диоксидом ванадия мы работаем несколько лет: сначала, как и
практически все в мире, исследовали поликристаллические пленки этого
соединения. Первый наш значительный успех связан с тем, что мы смогли
синтезировать упорядоченные идеально чистые монокристаллы этого соединения.
Причем расположение последних задавалось созданными наноструктурами на
кремниевой подложке. Сейчас мы продвинулись гораздо дальше — нам удалось
создать на их основе полноценные
наноприборы с наноконтактами. Наш подход синтеза кристаллов на кончике
кремниевых наноигл можно распространить и на другие перспективные
полупроводниковые материалы для которых отсутствуют подложки», — отмечает соавтор статьи, научный
сотрудник лаборатории физики и технологии трехмерных наноструктур ИФП СО РАН Сергей Владимирович Мутилин.
Важным параметром новых
переключателей является их долговечность — более 100 миллиардов переключений
без изменений характеристик.
«Исследование
выполнялось при финансовой поддержке Российского научного фонда, наши
дальнейшие планы — работа по оптимизации нанопереключателей, а также
формирование их связанного массива и создание искусственных нейросетей. На этом
пути мы еще в самом начале», — добавляет Виктор Принц.
Пресс-служба ИФП СО РАН,
Пресс-служба РНФ
Иллюстрации:
