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:
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.
Informujemy, że wyniki naszego zespołu zostały zaprezentowane podczas ogólnopolskiej konferencji Symposium on Physics and Chemistry for Unconventional Computing (UNCOMP), która odbyła się w dniach…
Z radością informujemy, że mgr inż. Aleksandra Nadolska, doktorantka Uniwersytetu Łódzkiego i członkini naszego zespołu badawczego, została wyróżniona w prestiżowym zestawieniu „Top 100 Kobiet w…
Z przyjemnością informujemy, że temat systemów neuromorficznych oraz badań prowadzonych w ramach naszego Projektu został zaprezentowany w programie Teleexpress Extra na antenie TVP! W materiale…
Aleksandra Nadolska doktorankta Uniwersytetu Łódzkiego i wykonawczyni w projekcie zaprezentowała badania nad nanoskalowymi właściwościami monowarstwy MoO₃ podczas prestiżowej konferencji Graphene Week…
Z przyjemnością informujemy, że mgr inż. Aleksandra Nadolska, doktorantka Szkoły Doktorskiej Nauk Ścisłych i Przyrodniczych UŁ oraz członkini naszego zespołu badawczego, zdobyła I miejsce w Konkursie…
Z przyjemnością informujemy, że w programie „Łódzka Nauka” emitowanym na antenie TVP Łódź ukazał się materiał poświęcony naszej pracy badawczej. Ekipa telewizyjna odwiedziła nasze laboratoria, gdzie…
Podczas tegorocznej edycji międzynarodowej konferencji Cluster-Surface Interaction Meeting (CSI 2024), która odbyła się w Bernried koło Monachium, zaprezentowane zostały wyniki badań naszego zespołu…
W czwartek, 29 czerwca, w łódzkiej Obiecana Café odbyło się kolejne spotkanie z cyklu „Obiecane inspiracje”. Gościem wydarzenia był dr Maciej Rogala – fizyk doświadczalny, nanotechnolog, kierownik i…
Miło nam poinformować, że Aleksandra Nadolska zdobyła grant w ramach Short Term Scientific Mission (STSM) programu OPERA COST Action.W ramach grantu realizowała badania w Technische Universität…
