最近のミシガン大学主導の研究によると、分子が油と水のように分かれるときの相分離は、酸素の拡散と並行して機能し、電気抵抗を利用して情報を保存する電気部品であるメモリスタが電源を切った後でも情報を保持できるようにするという。出版されたで案件。

これまでの説明では、メモリスタが情報を持たずにどのように情報を保持するのかが十分に理解されていませんでした。電源、として知られています不揮発性メモリモデルと実験が一致していないためです。

「実験では、デバイスは10年以上情報を保持できることが示されていますが、コミュニティで使用されているモデルは、情報が数時間しか保持できないことを示しています」と、ウィスコンシン大学材料科学工学博士課程卒業生であり、この論文の筆頭著者であるJingxian Li氏は述べています。勉強。

不揮発性メモリスタメモリを駆動する根本的な現象をより深く理解するために、研究者らは、として知られるデバイスに焦点を当てました。抵抗性ランダムアクセスメモリ古典的なコンピューティングで使用される揮発性 RAM の代替品である RRAM の研究結果は、エネルギー効率の高い人工知能アプリケーションにとって特に有望です。

研究された特定の RRAM、フィラメントタイプの価数変化メモリ (VCM) は、2 つの白金電極の間に絶縁酸化タンタル層を挟み込みます。白金電極に特定の電圧が印加されると、導電性フィラメントがタンタルイオンブリッジを形成し、絶縁体を通って電極に到達します。これにより電気が流れ、セルはバイナリコードで「1」を表す低抵抗状態になります。異なる電圧を印加すると、フィラメントは元に戻りながら溶解します。酸素原子タンタルイオンと反応して導電性ブリッジを「錆び」させ、バイナリコード「0」を表す高抵抗状態に戻ります。

かつては、酸素が逆拡散するには遅すぎるため、RRAM は時間が経っても情報を保持すると考えられていました。しかし、一連の実験により、以前のモデルでは相分離の役割が無視されていたことが明らかになりました。

「これらのデバイスでは、酸素イオンはフィラメントから離れることを好み、たとえ無限の時間が経過しても拡散して戻ることはありません。このプロセスは、水と油の混合物がどれだけ時間をかけても混合しないのと似ています。」非混合状態ではエネルギーが低いので、待ってください」と、カリフォルニア州立大学材料科学工学助教授であり、この研究の主任著者であるイーヤン・リー氏は述べた。

保持時間をテストするために、研究者らは温度を上げて実験をスピードアップしました。250 °C で 1 時間は、コンピュータ チップの一般的な温度である 85 °C で約 100 年に相当します。

研究者らは、原子間力顕微鏡の極めて高解像度のイメージングを使用して、幅1ミクロンのRRAMデバイス内で形成される、幅わずか約5ナノメートルまたは原子20個のフィラメントを画像化した。

「装置内でフィラメントが見つかったことには驚きました。干し草の山から針を見つけるようなものです」とリー氏は語った。

研究チームは、フィラメントのサイズが異なると保持挙動が異なることを発見しました。約 5 ナノメートルより小さいフィラメントは時間の経過とともに溶解しますが、5 ナノメートルより大きいフィラメントは時間の経過とともに強化されました。サイズによる違いは拡散だけでは説明できません。

熱力学原理を組み込んだ実験結果とモデルを総合すると、導電性フィラメントの形成と安定性は相分離に依存することが示されました。

研究チームは、相分離を利用して、耐放射線メモリチップ（宇宙探査で使用する放射線被ばくに耐えるように作られたメモリデバイス）の記憶保持期間を1日から10年以上に延長しました。

その他のアプリケーションには、よりエネルギー効率の高い AI アプリケーションのためのインメモリ コンピューティングや、人間の皮膚の感覚機能を模倣するように設計された伸縮可能な電子インターフェイスである電子皮膚用のメモリ デバイスなどがあります。e-skin としても知られるこの素材は、感覚フィードバックを提供するために使用できます。義肢、新しいウェアラブル フィットネス トラッカーを作成したり、ロボットによる繊細な作業のための触覚センシングの開発を支援したりできます。

「私たちの発見が、相分離を利用して情報記憶装置を作成する新しい方法を刺激することができることを願っています」とリー氏は語った。

ディアボーンのフォードリサーチの研究者。オークリッジ国立研究所;アルバニー大学。NYが創造する。サンディア国立研究所;とアリゾナ州立大学テンピ校がこの研究に貢献しました。このデバイスはルーリーナノファブリケーション施設で構築され、ミシガン州材料特性評価センターで研究されました。