PRZEŁĄCZANIE REZYSTYWNE W NIEORGANICZNYCH MATERIAŁACH 2D

Przełączanie rezystywne w nieorganicznych materiałach 2D – badanie nanoskalowych mechanizmów kluczowych dla efektywnego zapisu informacji i pracy systemów neuromorficznych

Niniejsze badania są wspierane przez Narodowe Centrum Nauki w ramach projektu 2020/38/E/ST3/00293.

Celem projektu jest zbadanie fizycznych mechanizmów w skali nanometrycznej, które są odpowiedzialne za występowanie zjawiska przełączania rezystywnego (RS) w materiałach dwuwymiarowych (2D). Przełączanie rezystywne umożliwia trwałą, a jednocześnie odwracalną zmianę rezystancji materiału w wyniku stymulacji elektrycznej. Pozwala to na nieulotne przechowywanie informacji (różne stany rezystancji odpowiadają różnym bitom) oraz tworzenie sztucznych synaps (przepływ sygnału/prądu zależy od wagi/rezystancji połączenia synaptycznego, a jednocześnie może modyfikować jego wagę). W ostatnich latach wykazano, że pamięci oparte na RS (ReRAM) mogą zastąpić obecnie stosowane technologie (przynajmniej w niektórych zastosowaniach), ponieważ przewyższają je pod względem szybkości, trwałości i efektywności energetycznej. Z kolei synapsy oparte na RS mogą naśladować nawet bardzo złożone funkcje ich biologicznych odpowiedników i umożliwić rozwój systemów neuromorficznych (odwzorowujących działanie ludzkiego mózgu). Przetwarzanie obliczeń bezpośrednio w pamięci pozwoliłoby systemom neuromorficznym przezwyciężyć największe ograniczenie obecnie stosowanych architektur opartych na modelu von Neumanna, czyli konieczność transferu danych między pamięcią a procesorem.

Materiały 2D są szczególnie atrakcyjne dla zastosowań RS, ponieważ umożliwiają ekstremalnie wysoką gęstość upakowania urządzeń przy jednoczesnym dobrym odprowadzaniu ciepła. Dodatkowo, ze względu na ograniczenie wiązań chemicznych w tych materiałach tylko do jednej płaszczyzny, charakteryzują się one wysoką stabilnością chemiczną i termiczną.

Udowodniono, że RS w materiałach 2D może być efektywne i spełniać wymagania aplikacyjne, szczególnie w takich materiałach jak dichalkogenki metali przejściowych czy hBN. Wykazano, że w większości przypadków proces RS jest związany z wprowadzaniem defektów do struktury warstwy 2D. Jednak większość dostępnych danych i analiz RS opiera się na globalnych pomiarach elektrycznych, które jedynie w ograniczonym stopniu pozwalają określić rzeczywisty charakter mechanizmów odpowiedzialnych za RS oraz jego efektywność w potencjalnych zastosowaniach. Kluczowe mechanizmy zachodzą na poziomie atomowym i są najprawdopodobniej związane z wprowadzaniem, migracją i aglomeracją defektów krystalograficznych, które lokalnie zmieniają wartość rezystancji. W większości przypadków dokładny przebieg tych zjawisk nie jest znany, a wypełnienie tej luki jest celem niniejszego projektu.

Projekt koncentruje się na badaniach eksperymentalnych w tej samej skali, w której faktycznie zachodzą istotne mechanizmy, czyli z nanometrową rozdzielczością. Zamiast najczęściej stosowanego podejścia, w którym do badania RS używa się globalnej elektrody o rozmiarze mikrometrowym, w tym projekcie zostanie zastosowana sonda mikroskopu sił atomowych jako ruchoma elektroda. To podejście nie jest powszechnie stosowane w przypadku RS w materiałach 2D, ale pozwala na przeprowadzanie procesów RS lokalnie (punktowe pobudzenie elektryczne), a następnie na charakterystykę elektryczną i morfologiczną wprowadzonych zmian (związanych z przełączaniem rezystancji na dany poziom).

Wykorzystanie mikroskopu sił atomowych do analizy RS w skali nanometrowej, w połączeniu z badaniem lokalnej struktury elektronowej powstałych kanałów przewodzących oraz obliczeniami teoretycznymi, pozwoli na określenie zjawisk i mechanizmów determinujących przebieg RS. W szczególności, zastosowane podejście badawcze odpowie na następujące pytania:

• czy i na jakiej podstawie możliwe jest osiągnięcie wielopoziomowego RS w pojedynczych warstwach 2D (co jest kluczowe dla zastosowań neuromorficznych), jeśli RS opiera się na wprowadzaniu defektów typu wakancyjnego,
• jaka jest minimalna odległość między dwoma obszarami RS, przy której defekty nie oddziałują wzajemnie ani nie nakładają się wprowadzone przez nie stany elektronowe (co definiuje maksymalne upakowanie (integrację) przyszłych urządzeń),
• jaka jest rzeczywista stabilność (w tym podatność na migrację) defektów w skali nanometrowej odpowiedzialnych za RS (co określa fizyczne ograniczenia trwałości i precyzji przechowywania danych lub działania synaps).

dr hab. Maciej Rogala, prof. UŁ - kierownik projektu
Absolwent Międzywydziałowych Studiów Matematyczno-Przyrodniczych UŁ, w trakcie studiów doktoranckich zatrudniony w Peter Grünberg Institute (Juelich, Niemcy) w grupie specjalizującej się w badaniu nowych materiałów na potrzeby nieulotnego zapisu danych. Od 2012 zatrudniony w UŁ w Katedrze Fizyki Ciała Stałego. Wykonawca projektów badawczych z zakresu nowych materiałów na potrzeby nowoczesnej elektroniki (w tym projektów wdrożeniowych w obszarze elastycznej elektroniki drukowanej) oraz kierownik projektów badawczych w zakresie zjawiska przełączania rezystywnego w zastosowaniu do układów pamięciowych i neuromorficznych.

mgr inż. Rafał Dunal - wykonawca
Absolwent inżynierii biomedycznej (specajlność elektronika medyczna i tekstronika) i nanotechnologii na PŁ. W ramach doktoratu (Szkoła Doktorska Nauk Ścisłych i Przyrodniczych UŁ) prowadzi badania nad przełączaniem rezystywnym w dichalkogenkach metali przejściowych.

mgr inż. Aleksanra Nadolska - wykonawczyni
Absolwentka inżynierii materiałowej (specjalność inżynieria powierzchni) na AGH. Aktualnie doktorantka w Szkole Doktorskiej Nauk Ścisłych i Przyrodniczych UŁ. Zajmuje się badaniami nad nanoskalowym opisem zjawiska przełączania rezystywnego w układach bazujących na tlenkach metali przejściowych.

mgr inż. Krzysztof Mielczarek - wykonawca
Student fizyki na Wydziale Fizyki i Informatyki Stosowanej UŁ. W ramach pracy magisterskiej rozwijał metody wytwarzania materiałów funkcjonalnych na potrzeby projektu oraz elektrod dedykowanych do przełączania rezystywnego.

dr Paweł Dąbrowski - wykonawca
Specjalista w pomiarach i teoretycznych symulacjach struktury krystalograficznej i elektronowej nanomateriałów. W projekcie wspiera realizację i interpretację badań eksperymentalnych i teoretycznych.

dr Iaroslav Lutsyk - wykonawca
Specjalista w obszarze syntezy i charakteryzacji materiałów dwuwymiarowych i ich struktur. W projekcie wspiera realizację badań eksperymentalnych nad nowymi materiałami do przełączania rezystywnego.

• Unraveling the Mechanism of the 150-Fold Photocurrent Enhancement in Plasma-Treated 2D TMDs
  Czerniak-Łosiewicz K. et al., ACS Applied Materials & Interfaces, 2022, vol. 14, nr 29, s.3984-3992
• Two-Dimensional Crystals as a Buffer Layer for High Work Function Applications: the Case of Monolayer MoO₃
  Kowalczyk D. A. et al., ACS Applied Materials & Interfaces, 2022, vol. 14, nr 39, s.44506-44515
• Electrostimulation and nanomanipulation of two-dimensional MoO_3-x layers grown on graphite
  Nadolska A. et al., Crystals, 2023, vol. 13, nr 6, s.1-11, nr artykułu:905