Российские ученые улучшили элементы памяти для гибкой электроники

Благодаря облучению ионами ксенона российские ученые модифицировали фторированный графен: удалили фтор и создали проводящие квантовые точки в матрице изолирующего материала. На основе таких структур были сделаны мемристоры ― элементы памяти, которые применяются для создания гибких датчиков в носимой электронике, медицинских и производственных сенсорах.

Над научным проектом работают ученые подведомственного Минобрнауки России Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН (ИФП СО РАН) под руководством доктора наук Ирины Антоновой, Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ), Новосибирского государственного технического университета (НГТУ) НЭТИ и их зарубежные коллеги.  

Исследования по созданию энергонезависимой памяти для гибкой электроники ведутся во всем мире. Они используются, например, для изготовления гибких и носимых датчиков температуры тела, дыхания, измерения пульса и артериального давления, создания умных этикеток и одежды. В основном такую память пытаются сделать на основе оксида графена и полимерных материалов, дихалькогенидов металлов. У них есть свои плюсы и минусы: в частности, оксид графена способен восстанавливаться под действием напряжения, температуры — он менее стабилен, чем фторированный графен, который используют в своем научном проекте российские ученые.

Новое исследование — продолжение работы специалистов ИФП СО РАН по созданию элементов памяти для гибкой электроники на основе соединений графена. Ранее эта же научная группа сделала мемристоры, модифицируя графен химическим путем. Это позволило получить систему квантовых точек в матрице фторированного графена. Преимущество облучения в том, что оно позволяет более контролируемо и воспроизводимо добиться создания системы, нужной для работы мемристоров.

Напомним, мемристор ― это микроэлектронный компонент, способный передавать информацию в режиме «0» или «1» и присваивать ей уровень значимости. Мемристоры «запоминают» количество протекшего через них заряда и меняют свое сопротивление в зависимости от этого. Если подать высокое напряжение, мемристорная система станет открытой ― будет проводить электрический ток, а при смене полярности напряжения ― закроется.

Мемристорные структуры, нанесенные на гибкую полимерную пленку (фото Н. Дмитриевой)

«Наши мемристорные системы на основе облученного фторированного графена открываются и закрываются благодаря формированию и разрушению путей протекания электрического тока по графеновым квантовым точкам. Разница токов в открытом и закрытом состоянии — 2-4 порядка: такого диапазона достаточно, чтобы сделать ячейки памяти. Мемристорная память энергонезависима и совмещает в себе достоинства оперативной и флеш-памяти. Переключение мемристора (из закрытого в открытое состояние), то есть перезапись информации, происходит за 30-40 наносекунд. Это примерно в 1000 раз быстрее, чем у современной флеш-памяти», — поясняет автор исследования, научный сотрудник лаборатории физики и технологии трехмерных наноструктур ИФП СО РАН, кандидат физико-математических наук Артем Иванов.

Технология изготовления образцов довольно проста: на тонкие полимерные пленки (из поливинилового спирта) методом 2D-печати наносится фторированный графен, также разработанный и созданный в ИФП СО РАН. Затем готовые структуры облучаются в ОИЯИ высокоэнергетичными ионами, после чего во всех структурах наблюдаются резистивные переключения, то есть такие, когда сопротивление материала обратимо меняется в ответ на изменение электрического поля.

«Наши дальнейшие планы работы с новым материалом — показать, как взаимодействуют ячейки памяти в массиве, для этого мы сделаем небольшие логические электронные схемы: “И”, “Не”, “Или”. Существует множество параметров, на которые может влиять соединение ячеек, и нам нужно проверить, как мемристоры будут чувствовать себя в системе из нескольких элементов», — добавляет Артем Иванов.

По словам ученого, опубликованная работа — первый шаг в направлении использования облучения как метода формирования массива квантовых точек в матрице фторированного графена. Любая технология требует отладки. На экспериментальных, небольших объемах, с которыми исследователи работают сейчас, образцы выглядят перспективно. Важно, что продемонстрирован метод, как надежно и сравнительно быстро получать мемристоры на основе фторированного графена со сформированными облучением квантовыми точками.

Исследование поддержано Российским научным фондом. Детали работы опубликованы в журнале Materials.


Научный сотрудник ИФП СО РАН кандидат наук Артём Иванов за работой на 2D принтере (фото В. Яковлева). 

Читать также