Вдохновленные человеческим мозгом, нейроморфные вычисления и искусственные синаптические устройства обладают значительными преимуществами, включая низкое энергопотребление, высокое быстродействие и совмещённую память-вычисления. Однако традиционные оксидные резистивные переключающие запоминающие устройства сталкиваются с серьёзными проблемами стабильности в экстремальных условиях, таких как высокие температуры. Алмаз, благодаря своей сверхширокой запрещённой зоне, превосходной теплопроводности и выдающейся химической стабильности, признан идеальным полупроводниковым материалом для разработки электроники экстремальных сред. В настоящее время исследования алмазных синаптических устройств в основном полагаются на фотоэлектрические эффекты, модуляцию барьера гетеропереходов или легирование для достижения резистивного переключения.

Однако внутренне присущая алмазу высокая химическая стабильность и трудность модуляции электропроводности значительно ограничивают реализацию его чисто электрически управляемого резистивного переключения. Современные алмазные устройства, о которых сообщается, в целом страдают от таких узких мест, как низкое отношение резистивного переключения, ограниченный ресурс циклов записи-стирания и недостаточные характеристики длительного хранения. Как создать надёжные проводящие каналы и реализовать эффективную нелетучую электрическую модуляцию резистивного переключения без ущерба для собственной стабильности материала — это центральная проблема, сдерживающая практическое применение алмазных мемристоров.

Для решения вышеуказанных проблем совместная группа под руководством Чжэнчжоуского университета провела углублённые исследования с использованием системы in situ TEM компании ZEPTOOLS. Команда инновационно использовала металло-алмазные межфазные реакции на границах зёрен для создания вертикальных каналов миграции ионов, успешно разработав высокопроизводительный нелетучий алмазный мемристор, стабильно работающий в широком температурном диапазоне от -150°C до 600°C, и реализовав моделирование искусственных синапсов и функций биологического болевого восприятия.

Название: Grain Boundary Enabled Diamond Memristor 
Журнал: Advanced Materials 
URL: http://dx.doi.org/10.1002/adma.74418

В ответ на внутреннее ограничение, заключающееся в том, что электропроводность алмаза крайне трудно напрямую модулировать электрическим смещением, исследовательская группа предложила стратегию дизайна материалов на основе инженерии границ зёрен для создания вертикальных каналов миграции ионов. Исследователи использовали химическое осаждение из газовой фазы для выращивания поликристаллических алмазных плёнок, богатых границами зёрен, на кремниевых подложках, и использовали каталитические реакции переходного металла никеля на алмазных интерфейсах при высоких температурах, вызывая селективное травление в дефектах границ зёрен посредством осаждения металла и термической обработки. После удаления остаточного каталитического металла внутри алмазной плёнки были успешно сформированы вертикальные наноканалы, проходящие вдоль границ зёрен, что обеспечивает пути с низким сопротивлением для направленной миграции активных ионов металла, полностью сохраняя при этом кристаллический каркас и тепловые свойства алмаза.

На ключевом этапе расшифровки микроскопического физического механизма электрически индуцированного резистивного переключения исследовательская группа провела систематические углублённые исследования in situ с использованием оригинального держателя образца для просвечивающего электронного микроскопа компании ZEPTOOLS. Путём подачи электрических стимулов в реальном времени внутри микроскопической системы и синхронной регистрации микроструктурной эволюции исследователи непосредственно зафиксировали динамические структурные изменения устройства в процессе SET и RESET. Результаты микроскопического анализа морфологии и элементного энергетического спектра чётко подтвердили, что нелетучие переключающие характеристики этого алмазного мемристора обусловлены обратимой миграцией ионов серебряного электрода вдоль предварительно сформированных каналов границ зёрен, то есть периодическим формированием и разрывом серебряных проводящих нитей, что на микроскопическом уровне подтверждает проводящий механизм резистивных каналов.

На основе архитектуры каналов вдоль границ зёрен созданные алмазные мемристорные устройства продемонстрировали отличные электрические характеристики и прорывную способность работы в широком температурном диапазоне. Экспериментально измеренное отношение резистивного переключения достигло приблизительно 10⁴, с высококонцентрированным распределением рабочих напряжений и превосходной согласованностью между партиями. Особенно примечательно, что устройства сохраняли стабильные нелетучие биполярные характеристики резистивного переключения в жёстком широком температурном диапазоне от -150°C до 600°C. После теста на хранение данных в течение 10⁴ секунд и 5000 последовательных циклов импульсной записи-стирания при 600°C они всё ещё сохраняли окно памяти более 10³, что значительно расширяет границы надёжности мемристорных устройств в экстремальных высокотемпературных средах.

Благодаря управляемости динамики проводящих нитей, этот алмазный мемристор успешно реализовал аппаратное функциональное моделирование биологической синаптической пластичности нейронов и поведения ноцицепторов. Устройство не только точно воспроизвело типичные механизмы синаптического обучения, включая облегчение парными импульсами, долговременную потенциацию и депрессию, а также пластичность, зависящую от времени спайков, но и реалистично смоделировало пороговую реакцию биологической болевой системы, отсутствие адаптации, а также патологические состояния, такие как тактильная аллодиния и гипералгезия, возникающие после повреждения тканей. Эта работа полностью подтверждает потенциал алмазных мемристоров для совмещённых память-вычислений и интеллектуального зондирования в сложных экстремальных условиях эксплуатации, закладывая устройственную основу для нейроморфных вычислительных систем, устойчивых к экстремальным условиям, для перспективных приложений, таких как глубокое бурение и аэрокосмическая промышленность.

ZEPTOOLS, как китайская высокотехнологичная компания по производству точных приборов, является ведущим поставщиком решений для характеризации in situ в просвечивающей электронной микроскопии. Представленная серия PicoFemto решений для in situ просвечивающей электронной микроскопии последовательно обеспечивает техническую поддержку важнейших исследовательских результатов как отечественных, так и зарубежных пользователей. На изображении ниже показан продукт — оригинальный держатель образца для in situ TEM компании ZEPTOOLS, использованный в этом исследовании: