Ученые физического факультета МГУ и Института ядерной физики им. Д.В. Скобельцына совместно с исследователями Курчатовского института создали инновационный метод. Он позволяет значительно улучшать характеристики мемристоров на основе оксидов металлов с помощью направленного облучения альфа-частицами.
Что такое мемристор и почему он важен
Мемристор — это уникальный переменный резистор, обладающий памятью: его сопротивление напрямую зависит от предшествующего электрического тока. Эти компоненты критически важны для создания энергоэффективных систем памяти и передовых нейроморфных вычислений, имитирующих принципы работы мозга. Способность мемристоров одновременно хранить и обрабатывать информацию делает их фундаментальными элементами для устройств искусственного интеллекта нового поколения.
Вызовы и решение
Для широкого внедрения мемристоров необходимо обеспечить их долговременную стабильность при множестве циклов переключения, увеличить число устойчивых состояний сопротивления и добиться их контролируемого распределения. Ученые МГУ предложили блестящее решение: метод управляемого создания дефектов в структуре мемристора с помощью радиационного воздействия.
Результаты облучения
Эксперименты показали, что воздействие альфа-излучения на мемристоры TiOX/Ti приводит к впечатляющему улучшению их параметров. Количество стабильных резистивных состояний возросло почти втрое, а отношение сопротивлений ROFF/RON увеличилось более чем вдвое. Значительно повысилась и "выносливость" устройств: количество циклов переключения выросло в полтора раза.
Механизм улучшения и инженерия дефектов
Исследователи установили, что альфа-частицы вызывают образование дополнительных кислородных вакансий в слое оксида титана. Эти дефекты служат центрами для формирования проводящих каналов. Ключевое преимущество метода — управляемость: дефекты создаются локально и дозированно, в отличие от их хаотичного распределения в обычных образцах. Этот факт подтвержден прямыми измерениями (просвечивающая электронная микроскопия с элементным анализом) и компьютерным моделированием методом Монте-Карло. Такой точный контроль над созданием дефектов открывает путь к инженерии дефектов.
Технология и перспективы нейроморфных систем
«Мы применили изотоп плутония-239, излучающий альфа-частицы с нужной плотностью потока и энергией ~5 МэВ, — объясняет Юрий Балакшин, старший научный сотрудник НИИЯФ МГУ. — Это позволило модифицировать структуру оксида титана, создав порядка 10^16 кислородных вакансий на см³. Моделирование подтвердило, что даже умеренная концентрация вакансий радикально меняет параметры мемристора».
Полученные результаты имеют огромное значение для развития нейроморфных систем. «Чем больше устойчивых состояний у мемристора, тем выше его "пластичность" — способность к обучению, подобная синаптической пластичности нейронов, — подчеркивает Александр Ильин, доцент физфака МГУ. — Это делает устройства невероятно перспективными для аппаратной реализации сложных многослойных нейросетей».
Широкие возможности метода
Предложенный метод радиационной модификации открывает новые горизонты для разработки энергоэффективных запоминающих и вычислительных элементов будущего. Управляемое формирование дефектов позволяет тонко настраивать характеристики мемристоров уже после изготовления, без изменения материалов или конструкции. Это значительно расширяет возможности создания гибких и адаптивных электронных систем.
