Научно-исследовательская лаборатория «Нейроэлектроника и мемристивные наноматериалы» (НЕЙРОМЕНА)

Научные результаты:

Разработана математическая модель формирования оксидных наноструктур титана методом локального анодного окисления. На основе разработанной математической модели проведено теоретическое исследование влияния режимов формирования оксидных наноструктур на их геометрические параметры, а также распределение химического состава оксида и кислородных вакансий в объеме наноструктуры.

Разработана модель формирования биосовместимых мемристивных наноматериалов на основе оксидных пленок металлов, полученных методом импульсного лазерного осаждения, позволяющая при нанесении материала методом импульсного лазерного осаждения (ИЛО), рассчитать профиль распределения толщины пленки по поверхности подложки с учетом конструктивно-технологических параметров используемого оборудования.

Проведено моделирование резистивного переключения в биосовместимых мемристивных наноматериалах на основе оксидных пленок металлов, оксидных пленок градиентных нанокомпозитов, оксидных наноструктур и 2D материалов. Разработана математическая модель образования и разрушения наноразмерных каналов проводимости (филаментов) в оксидной наноструктуре титана, учитывающая процессы генерации и миграции кислородных вакансий в объеме наноструктуры под действием внешнего электрического поля.

Проведены экспериментальные исследования закономерностей синтеза биосовместимых мемристивных наноматериалов на основе оксидных пленок металлов и оксидных наноструктур методом импульсного лазерного осаждения. Получены закономерности влияния количества импульсов, толщины, давления кислорода, температуры отжига, частоты следования лазерных импульсов на параметры пленок оксидов металлов.

Разработана математическая модель нейроподобной динамики биосовместимых мемристивных структур, модель нейронного генератора, представляющая собой модифицированный нейрон ФитцХью-Нагумо со сложно-пороговым возбуждением и с нелинейностью мемристора. Предлагаемая модель нейронного генератора с мемристивной нелинейностью, воспроизводит динамику сложно-порогового отклика, что является преимуществом при проектировании спайковых нейроморфных систем.

Проведены исследования структуры, фазового и элементного состава биосовместимых мемристивных наноматериалов на основе оксидных пленок металлов, полученных импульсным лазерным осаждением с использованием методов рентгеноструктурного анализа (XRD), энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDX) и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS) и установлены закономерности влияния режимов ИЛО на структурные свойства BaTiO₃, LiNbO₃, ZnO и VO₂.

Проведено исследование резистивного переключения в прозрачных мемристорных структурах на основе пленок ZnO и TiO₂, полученных методом магнетронного распыления при комнатной температуре в бескислородной среде на стеклянных подложках для применения в нейроморфных системах, в том числе системах динамического машинного зрения, прозрачной и гибкой электронике. Также были проведены исследования по формированию мемристорных структур методом магнетронного распыления при различной толщине пленки ZnO и различных материалах электродов на кремниевых подложках. На основе полученных экспериментальных результатов был разработан и оптимизирован технологический маршрут формирования прозрачных мемристорных структур методом магнетронного распыления (MF и RF режимы) при комнатной температуре в бескислородной среде.

Установлены закономерности влияния размерных эффектов на резистивное переключение в оксидных наноструктурах титана, полученных методом ЛАО. Анализ полученных данных показал, что данный метод позволяет контролируемо формировать мемристорные структуры с напряжениями переключения в широком диапазоне значений. Полученный результат демонстрирует отсутствие паразитных связей при резистивном переключении в не требующей формовки ОНС титана и позволяет существенно упростить технологию изготовления массива мемристорных структур за счет возможности формирования общего слоя оксида для всех элементов ReRAM, а не для каждого элемента в отдельности.

Проведено исследование временной стабильности поверхностного заряда пленки TiO₂. По полученным результатам были построены временная зависимость напряжения и временная зависимость размера области заряда. Было показано, что напряжение уменьшалось от 320±21 мВ до 22±5 мВ в течение 90 минут, размер структуры при этом увеличивался от 3,43±0,12 мкм до 4,12±0,14 мкм.

Проведены экспериментальные исследования многоуровневого резистивного переключения нанокристаллических пленок оксида цинка, оксида титана и оксида гафния. Анализ полученных результатов показал, что пленки TiO₂, HfO₂ и ZnO демонстрируют многоуровневое резистивное переключение. Увеличение напряжения развертки и тока ограничения приводит к увеличению числа резистивных состояний.

Исследовано влияние материалов верхнего электрода мемристорных структур на основе нанокристаллической пленки оксида цинка на их резистивное переключение. Было показано, что мемристорные структуры на основе нанокристаллической пленки оксида цинка с верхним электродом из C демонстрирует наибольшее отношение RHRS/RLRS, при этом структуры с верхним электродом из Pt демонстрирует наименьшие значения напряжения переключения. Таким образом, выбор материала верхнего электродом должен определяться исходя из начальных требований при изготовлении нейроморфной структуры: если в приоритете максимальное отношение RHRS/RLRS, тогда верхние электроды следует выполнять из C, если в приоритете энергоэффективность, тогда из Pt.

Исследовано влияние температуры на основные параметры мемристорных структур на основе нанокристаллической пленки оксида цинка. Было показано, что мемристорные структуры на основе нанокристаллической пленки оксида цинка способны функционировать в диапазоне температур от 25 °С до 120 °С, что важно при эксплуатации будущих элементов нейроморфных структур в неблагоприятных условиях окружающей среды.

Исследовано влияние материалов верхнего электрода мемристорных структур на основе оксида титана на их резистивное переключение. Анализ полученных результатов показал, что сформированные наноструктуры на поверхности пленки Ti проявляют стабильный эффект резистивного переключения без проведения дополнительного операций формовки. При этом материал верхнего контакта значительно влиял на вид вольтамперной характеристики структуры Ti/TiO2/верхний электрод. Было показано, что использование Pt в качестве верхнего контакта позволило получить симметричную вольтамперную характеристику, использование TiN и С в качестве верхнего контакта позволило получить несимметричную вольтамперную характеристику. Применение Pt в качестве верхнего контакта позволяет снизить энергопотребление структуры Ti/TiO2/верхний электрод по сравнению с TiN, и снизить энергопотребление по сравнению с C.

Экспериментально исследована адаптивная модель мемристивного устройства Au/Zr/SiO₂/TiN/Ti/SiO₂/Si, демонстрирующая характеристику стохастического резистивного переключения под воздействием нейроподобного сигнала, что обеспечивает адаптивную связь и синхронизацию нейроноподобных мемристивных генераторов ФХН.

Образование и переподготовка кадров:

За время работы лаборатории её сотрудники успешно прошли 20 курсов дополнительного профессионального образования и курсов повышения квалификации.

Разработана и реализуется в Южном федеральном университете новая основная профессиональная образовательная программа высшего образования для студентов по направлению подготовки 11.04.04 «Электроника и наноэлектроника», профиль программы «Нейроморфные и нейрогибридные системы искусственного интеллекта». Квалификация – магистр.

Сотрудниками лаборатории успешно защищены 6 работ на соискание степени бакалавра, 6 работ на соискание степени магистра и 2 кандидатских диссертации по направлению научного исследования.

Сотрудничество:

• Чандигархский университет
• Профессиональный университет Лавли
• Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет имени Н. И. Лобачевского
• Акционерное общество «НИИ молекулярной электроники»
• Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта
• Владимирский государственный университет им. А. Г. и Н. Г. Столетовых
• Сколковский институт науки и технологий