Нейроморфные вычисления Как новая вычислительная парадигма, её ключевая задача заключается в том, чтобы с помощью одного материала реализовать разнообразные режимы переключения сопротивления и точно управлять движением ионов, имитируя сложные функции биологической нервной системы. Традиционные решения опираются на комбинацию материалов с различными характеристиками переключения, однако такой подход повышает сложность системы и затрудняет её интеграцию. Медно‑сульфидные соединения ( Cu2-xS ) Благодаря своим уникальным свойствам каскадных фазовых переходов он представляет собой потенциальный кандидат на преодоление данного ограничения. Исследования показывают, что полиморфная структура Cu2‑xS и регулируемое стехиометрическое соотношение могут приводить к существенным различиям в электропроводности, что открывает новые подходы к проектированию нейроморфных устройств. Однако существующие работы сталкиваются с ограничениями в объяснении механизма случайного формирования проводящих нитей, зависящего от направления электрического поля, что затрудняет достоверное моделирование самоорганизующихся свойств биологических нейронных синапсов. Кроме того, остаётся неясным вопрос стабилизации высокотемпературной фазы при комнатной температуре, а также механизм влияния деформаций, возникающих в ходе фазового перехода, на свойства материала, что сдерживает его применение в устройствах с низким энергопотреблением и высокой плотностью.

Ключевая проблема современных исследований заключается в отсутствии связей между микромеханизмами и макроскопическими свойствами. С одной стороны, на атомном уровне отсутствуют доказательства, подтверждающие пути миграции ионов меди в Cu2S при воздействии электрического поля, а также динамические этапы фазовых превращений (например, γ→β→δ→Cu1.8S), что обусловливает недостаточную управляемость процессов переключения сопротивления. С другой стороны, хотя установлено взаимосвязь между механизмом формирования проводящих каналов и кристаллографической ориентацией, остаётся неясным, как эта зависимость от направления электрического поля может быть использована для моделирования автономных соединений биологических нейронных сетей.

В ответ на указанные выше проблемы команда, созданная совместными усилиями Чжэнчжоуского университета и американской лаборатории Брукхейвен, использовала технологию Цзэюй. Трансмиссионная электронная микроскопия в режиме in situ Проведено углублённое исследование , они с помощью экспериментов по ин‑ситу‑биасированию раскрыли механизмы обратимых и необратимых фазовых превращений в γ‑Cu₂S, управляемых электрическим током, и впервые наблюдали явление вдоль кристаллографического направления [201] Куприт Cu₁.₈S Было выявлено формирование проводящего канала и раскрыт путь его эволюции через промежуточную фазу δ‑Cu₂S. Авторы показали, что остаточная деформация способна стабилизировать высокотемпературные фазы (β‑Cu₂S и Cu₁.₈S) при комнатной температуре, что открывает новый подход к многопозиционному переключению сопротивления на основе одного материала для нейроморфных вычислений. Соответствующие результаты опубликованы в журнале Advanced Materials под названием «Атомистические механизмы ориентационно‑зависимого формирования проводящего канала Cu1.8S в мемристорах на основе Cu2S».

Данное исследование посвящено потенциалу применения медно‑сульфидных соединений (Cu₂S) в нейроморфных вычислениях; с помощью метода in situ‑просвечивающей электронной микроскопии были раскрыты механизмы фазовых превращений, управляемых электрическим током, в материале γ‑Cu₂S, а также их влияние на поведение резистивного переключения. Исследовательская группа установила, что, регулируя пороговое значение тока ICC, можно реализовать в одном и том же материале как обратимый (volatile), так и необратимый (nonvolatile) режимы резистивного переключения. При низких значениях тока в γ‑Cu₂S под действием эффекта джоулева нагрева происходит обратимое фазовое превращение γ→β, что приводит к кратковременному изменению проводимости; при высоких токах, напротив, запускается неэнергетически стабильное преобразование, формирующее устойчивый высокоэлектропроводящий канал. Это открытие позволяет преодолеть ограничение традиционных нейроморфных устройств, требующих комбинирования различных материалов, и предлагает новые подходы к проектированию многофункциональных устройств на основе одного материала.

Ключевым прорывом исследования стало впервые наблюдение за процессом формирования высокоэлектропроводящих каналов халькозина Cu₁.₈S, ориентированных по кристаллографическому направлению [201]. С помощью атомарно разрешённой HAAADF‑STEM‑характеризации команда проследила эволюционный путь этих каналов через промежуточную фазу δ‑Cu₂S: сначала электрический сигнал инициирует фазовый переход γ→β, затем накопление деформации вызывает переход β→δ, после чего ионы Cu⁺ преимущественно мигрируют вдоль направления [001] δ‑Cu₂S, формируя Cu₁.₈S. Примечательно, что ориентация этих каналов полностью определяется кристаллографическим направлением γ‑Cu₂S и не зависит от направления приложенного электрического поля. Эта особенность имитирует механизм самоорганизующегося соединения биологических нейронных синапсов, закладывая основу для создания бионических систем, максимально приближённых к биологическим нейронным сетям.

Исследование также выявило важную роль деформационного инжиниринга в стабилизации высокотемпературных фаз. Как правило, фазы β‑Cu₂S и Cu₁.₈S, существующие лишь при высоких температурах, под действием остаточных деформаций, возникающих при электроиндуцированном фазовом переходе, могут сохраняться в условиях комнатной температуры. Теория функционала плотности Расчёты методом DFT показывают, что сжимающее напряжение непосредственно способствует фазовому превращению γ→δ, а энергетический барьер миграции иона Cu⁺ в δ‑Cu₂S проявляет выраженную анизотропию — минимальный он оказывается в направлении [001]. Эти результаты не только объясняют наблюдаемый в эксперименте механизм формирования направленных каналов, но и предоставляют теоретическое обоснование возможности регулирования температуры фазовых превращений материалов за счёт деформации.

На уровне приложений данная работа демонстрирует выдающиеся характеристики устройства на основе γ‑Cu₂S: напряжения установки и сброса в режиме энергонезависимого переключения достигают всего 0,37 В и −0,39 В соответственно, а результаты 50‑циклового теста свидетельствуют о стандартном отклонении всего 0,035–0,040 В. Такая высокостабильная направленная проводящая дорожка позволяет преодолеть проблему флуктуаций характеристик, обусловленную случайным формированием нанопроводов в традиционных мемристорах. Кроме того, исследовательская группа предложила, что за счёт точного контроля кристаллографической ориентации и распределения деформаций можно реализовать программируемое управление множеством резистивных состояний, что открывает новые перспективы для разработки высокоплотных и энергоэффективных нейроморфных чипов.

Компания «ZEPTOOLS», являясь ведущим китайским производителем высокоточных приборов отечественного производства, является одним из ведущих поставщиков решений для in situ‑характеризации с помощью электронных микроскопов и представила… ПикоФемто Серия решений для in situ‑трансмиссионной электронной микроскопии постепенно обеспечивала техническую поддержку ключевым научным достижениям отечественных и зарубежных пользователей. На нижнем рисунке представлено оборудование Zeyou Technology, использованное в рамках данного исследования: