随着标准微芯片的发展即将结束，科学家们正在寻找一场革命。最大的挑战是设计更节能的芯片以及设计结合存储器和逻辑(忆阻器)的设备。荷兰格罗宁根大学的材料科学家在两篇论文中描述了如何使用复杂的氧化物来制造非常节能的磁电自旋轨道(MESO)设备和尺寸更小的忆阻设备。

经典硅基计算机的发展已接近极限。为了进一步实现小型化并降低能耗，需要不同类型的材料和架构。

格罗宁根大学泽尼克先进材料研究所功能材料自旋电子学教授TamalikaBanerjee正在研究一系列量子材料来制造这些新设备。“我们的方法是研究这些材料及其界面，但始终着眼于应用，例如内存或内存与逻辑的组合。”

更高效

Banerjee小组先前演示了如何使用掺杂的钛酸锶来制造结合了记忆和逻辑的忆阻器。他们最近发表了两篇关于“超越CMOS”的设备的论文，互补金属氧化物半导体是当今计算机芯片的基石。

一种替代CMOS的候选材料是磁电自旋轨道(MESO)器件，它的效率可能提高10到30倍。已经研究了几种材料在制造这种装置时的适用性。JobvanRijn，博士Banerjee小组的学生，是PhysicalReviewB发表于2022年12月的一篇论文的第一作者，描述了锰酸锶(简称SrMnO3或简称SMO)如何成为MESO设备的良好候选者。

vanRijn解释说：“它是一种耦合自旋电子学和基于电荷的效应的多铁性材料。”自旋电子学基于电子的自旋(磁矩)。

Banerjee说：“这种材料中的磁序和电荷序是耦合的，因此我们可以用电场切换磁性，用磁场切换极化。”而且，重要的是，这些影响在接近室温的温度下会出现。VanRijn正在研究这两种效应之间的强耦合。“我们知道，铁磁性和铁电性可以通过对SMO薄膜施加应变来调节。这种应变是通过在不同基板上生长薄膜来实现的。”

拉紧

VanRijn研究应变如何在材料中诱发铁电性以及它如何影响磁序。他分析了应变薄膜中的磁畴，注意到磁相互作用在很大程度上取决于晶体结构，尤其是氧空位，它改变了磁序的首选方向。

“自旋传输实验使我们得出结论，即磁畴在由这种材料制成的设备中发挥着积极作用。因此，这项研究是确定锰酸锶在新型计算架构中的潜在用途的第一步。”

2月14日，Banerjee小组在AdvancedElectronicMaterials杂志上发表了第二篇关于“超越CMOS”的器件的论文。博士学生AnoukGoossens是这篇关于基于铌掺杂钛酸锶(SrTiO3或STO)的忆阻器小型化的论文的第一作者。“每单位表面积的设备数量很重要，”古森斯说。“但有些忆阻器类型很难缩小尺寸。”

Goossens之前表明可以使用STO创建“内存中的逻辑”设备。她的最新论文表明，缩小这些设备的规模是可能的。忆阻器的一个常见问题是它们的性能受到小型化的负面影响。令人惊讶的是，用STO制造更小的忆阻器会增加高电阻比和低电阻比之间的差异。

“我们使用扫描透射电子显微镜研究了这种材料，并注意到在基板和设备电极之间的界面处存在大量氧空位，”Goossens说。“施加电压后，我们注意到氧空位运动，这是控制电阻状态的关键因素。”

新设计

结论是增强的性能是由边缘效应引起的，这可能对正常记忆不利。但在STO中，边缘增加的电场实际上支持忆阻器的功能。“在我们的案例中，边缘就是设备，”Goossens总结道。“此外，确切的特性取决于铌的掺杂量，因此该材料可以针对不同的目的进行调整。”

总之，该小组发表的两篇论文都展示了通往新型计算架构的道路。事实上，STO忆阻器启发了格罗宁根大学伯努利数学、计算机科学和人工智能研究所以及CogniGron(格罗宁根认知系统和材料中心)的Goossens和Banerjee的同事，他们已经提出了一种新的内存架构设计.

“这正是我们努力的方向，”班纳吉说。“我们想了解材料的物理特性以及我们的设备的工作方式，然后开发应用程序。”古森斯：“我们设想了几种应用，我们正在研究的是一种随机数生成器，它无需算法即可工作，因此无法预测。”

更多信息：通过神经形态计算的设备小型化增强忆阻记忆，