Физики объяснили переход в проводящее состояние материала для высокоскоростных переключаемых устройств

Физики из СПбГЭТУ «ЛЭТИ» исследовали и объяснили основные факторы, влияющие на переход в проводящее состояние тонких пленок диоксида ванадия (VO₂) — перспективного материала для создания нейроморфных компьютеров на основе принципов работы мозга. Ученые выявили два разных механизма перехода в зависимости от количества дефектов в образце. Оказалось, что чем меньше дефектов, тем меньшее напряжение требуется для перехода и тем меньше зависимость порогового напряжения от температуры. Результаты исследования опубликованы в журнале Chaos, Solitons & Fractals.

Пленки диоксида ванадия (VO₂) в своем обычном виде не способны проводить электрический ток. Однако если на них подать определенное напряжение, то сопротивление материала уменьшается до ста тысяч раз. Такой переход может происходить очень быстро, за время меньше пикосекунды; его точный механизм не известен, но благодаря уникальным свойствам материалы из диоксида ванадия уже предлагают использовать как покрытия для «умных» стекол с регулируемой прозрачностью, чувствительные элементы для тепловизоров и искусственные нейроны для создания нового поколения компьютеров.

«Одним из перспективных применений тонких пленок диоксида ванадия является их использование в качестве активных мемристоров. Резистивное переключение в активных мемристорах позволяет моделировать поведение потенциал-зависимых ионных каналов биологических нейронов, — рассказывает кандидат физико-математических наук Наталья Андреева, старший научный сотрудник научно-образовательного центра «Нанотехнологии» СПбГЭТУ «ЛЭТИ». — Таким образом, фазовые переходы в тонких пленках диоксида ванадия позволяют моделировать различные типы спайковой активности биологических нейронов. В перспективе это позволит исследовать процессы временной синхронизации активности нейронов, отражающих функциональную активность мозга. Также удастся определить возможности их направленной синхронизации или модуляции, например для нефармакологической коррекции некоторых функциональных состояний мозга».

В своей работе ученые из СПбГЭТУ «ЛЭТИ» исследовали динамику переключения в широком температурном диапазоне от -200 до +20 °С. Для этого они сделали несколько аналогичных образцов: нанесли на подложку из сапфира тонкий слой диоксида ванадия методом реактивного магнетронного распыления, когда частицы выбиваются из бруска напыляемого вещества ионами газа в сильном магнитном поле. Далее авторы изучили, как меняется сила тока при подаче определенного напряжения на каждый из образцов при разных температурах.

Оказалось, что все образцы тонких пленок диоксида ванадия можно разделить на два типа: к одним нужно прилагать все большее напряжение при охлаждении для перехода в проводящее состояние, а у других пороговое напряжение при изменении температуры практически не меняется. Ученые предполагают, что такие различия связаны с количеством дефектов — ионов водорода и кислородных вакансий, то есть областей, в которых не хватает атомов кислорода. Дело в том, что такие дефекты являются ловушками электронов. В ряде случаев, чтобы переход в проводящее состояние стал возможным, требуется определенная степень заполнения ловушек электронами. Для этого нужно подать некоторое пороговое напряжение. Если дефектов мало, пороговое напряжение переключения мало и слабо зависит от температуры. Если дефектов много, нужно подавать большее напряжение, которое, скорее всего, будет приводить к нагреву материала. Причем пороговое напряжение также увеличивается с ростом температуры.

«Эту тему мы будем развивать и дальше в рамках работ по теме государственного задания "Бионическая нейроархитектоника", где будем моделировать нейропроцессорную активность с использованием современных интеллектуальных материалов и технологий», — комментирует Наталья Андреева.