La separación de fases, cuando las moléculas se dividen como el aceite y el agua, funciona junto con la difusión de oxígeno para ayudar a los memristores (componentes eléctricos que almacenan información mediante resistencia eléctrica) a retener información incluso después de que se corta la energía, publicado recientemente por la Universidad de Michigan, dirigida por Según investigación asunto.
En este punto, las explicaciones no comprenden completamente cómo los memristores retienen información sin una fuente de energía, lo que se conoce como memoria no volátil, porque los modelos y experimentos no coinciden.
“Si bien los experimentos han demostrado que los dispositivos pueden retener información durante más de 10 años, los modelos utilizados en la comunidad muestran que la información sólo se puede retener durante unas pocas horas”, dijo Xingjian Li, candidato doctoral en ciencia e ingeniería de materiales de la UM y primer autor. . Estudiar
Para comprender mejor los fenómenos subyacentes a las operaciones de memoria de memristor no volátil, los investigadores se centraron en un dispositivo conocido como memoria resistiva de acceso aleatorio, o RRAM, que es una alternativa a la RAM volátil utilizada en la informática clásica y es particularmente prometedora para aplicaciones de inteligencia artificial energéticamente eficientes. .
La RRAM particular estudiada, una memoria de cambio de valencia (VCM) de tipo filamento, es una capa aislante de óxido de tantalio intercalada entre dos electrodos de platino. Cuando se aplica un cierto voltaje a los electrodos de platino, un filamento conductor forma un puente de iones de tantalio a través del aislante hasta los electrodos, permitiendo que la electricidad fluya, colocando la celda en un estado de baja resistencia, representado por un “1” en código binario. . Si se aplica un voltaje diferente, el filamento se disuelve a medida que los átomos de oxígeno que regresan reaccionan con los iones de tantalio, “oxidando” el puente conductor y volviendo a un estado de alta resistencia, lo que representa un código binario de “0”.
Alguna vez se pensó que RRAM retiene información a lo largo del tiempo porque el oxígeno se difunde muy lentamente. Sin embargo, una serie de experimentos revelaron que los modelos anteriores descuidaban el papel de la separación de fases.
“En estos dispositivos, los iones de oxígeno prefieren mantenerse alejados del filamento y nunca regresar, incluso después de un período de tiempo indefinido. Este proceso es análogo a cómo una mezcla de agua y aceite no se mezcla, no importa cuánto tiempo esperemos. Espera, porque tienen un estado mixto que tiene menor energía”, dijo Yiyang Li, profesor asistente en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la UM y autor principal del estudio.
Para probar el tiempo de retención, los investigadores aumentaron la velocidad del experimento aumentando la temperatura. Una hora a 250°C equivale a unos 100 años a 85°C, la temperatura típica de un chip de computadora.
Utilizando imágenes de extremadamente alta resolución de microscopía de fuerza atómica, los investigadores tomaron imágenes de los filamentos, que tienen aproximadamente cinco nanómetros, o 20 átomos de ancho, formándose dentro del dispositivo RRAM de una micra de ancho.
“Nos sorprendió encontrar el filamento en el dispositivo. Es como encontrar una aguja en un pajar”, dijo Lee.
El equipo de investigación descubrió que los filamentos de diferentes tamaños dan diferentes comportamientos de retención. Los filamentos de menos de 5 nanómetros se disuelven con el tiempo, mientras que los filamentos de más de 5 nanómetros se fortalecen con el tiempo. Las diferencias basadas en el tamaño no pueden explicarse únicamente por la difusión.
En conjunto, los resultados experimentales y los modelos que incorporan principios termodinámicos muestran que la formación y estabilidad de los filamentos conductores dependen de la separación de fases.
El equipo de investigación aprovechó la separación de fases para extender la retención de la memoria de un día a más de 10 años en un chip de memoria rojo, un dispositivo de memoria diseñado para resistir la exposición a la radiación para su uso en la exploración espacial.
Otras aplicaciones incluyen computación en memoria para aplicaciones de inteligencia artificial más eficientes energéticamente o dispositivos de memoria para piel electrónica: una interfaz electrónica extendida diseñada para imitar las capacidades sensoriales de la piel humana. También conocido como e-skin, este material podría usarse para proporcionar retroalimentación sensorial a extremidades artificiales, crear nuevos rastreadores de actividad física portátiles o ayudar a los robots a desarrollar sentidos táctiles para tareas delicadas.
“Esperamos que nuestros resultados puedan inspirar nuevas formas de utilizar la separación de fases para crear dispositivos de almacenamiento de información”, dijo Li.
Investigadores de Ford Research, Dearborn; Laboratorio Nacional Oak Ridge; Universidad de Albany; Nueva York crea; Laboratorios Nacionales Sandia; y la Universidad Estatal de Arizona, Tempe contribuyeron a este estudio.
El dispositivo fue construido en la Instalación de Nanofabricación de Lurie y estudiado en el Centro de Caracterización de Materiales de Michigan. El trabajo de la Universidad de Michigan fue financiado principalmente por la Fundación Nacional de Ciencias (ECCS-2106225).