Высокоскоростной энергоэффективный мемристор, ограниченный в пространстве менее 5 нм, с элементарным слоем-резервуаром кислорода

Более умная, быстрая память для электроники будущего

Современные компьютеры тратят много энергии просто на передачу данных между памятью и процессорами. Инженеры стремятся к созданию миниатюрных устройств, которые могли бы одновременно хранить и обрабатывать информацию, по образцу мозга, при этом потребляя очень мало энергии. В этой статье описан новый тип ультратонкого электронного элемента памяти, называемого мемристором, который переключается чрезвычайно быстро, потребляет мало энергии и может стать строительным блоком для систем, вдохновлённых работой мозга.

В чём отличие этой новой памяти

Традиционные мемристоры часто полагаются на случайное движение мелких дефектов внутри оксидного слоя, что приводит к непредсказуемому поведению и раннему отказу устройства. Авторы решают эту проблему, создавая ультратонкую стопку тщательно подобранных материалов толщиной всего в несколько миллиардных долей метра. В сердце устройства находится слой оксида гафния толщиной 4,5 нанометра, который служит областью переключения. Немногим ниже него расположен слой «элементарного резервуара кислорода» толщиной 3,5 нанометра, зажатый между двумя ультраровными листами двухмерных материалов HfS₂ и MoS₂, с золотыми электродами сверху и снизу. Ключевая идея в том, что эти атомарно гладкие интерфейсы поддерживают однородное электрическое поле и жестко ограничивают область, в которой активные дефекты могут перемещаться.

Как создают и проверяют тонкие слои

Для изготовления устройства исследователи сначала откалывают тонкие фрагменты MoS₂ и помещают их на заранее паттернизированные золотые контакты. Затем они накладывают слои HfS₂ сверху, формируя многослойный переход. Контролируемая обработка озоном деликатно превращает части HfS₂ в оксид гафния без шершавости поверхности, создавая сэндвич из оксида гафния, оставшегося HfS₂ и ещё оксида гафния. На интерфейсе с MoS₂ кислород накапливается и формирует специальный резервуар. С помощью инструментов, таких как атомно-силовая микроскопия, рамановская спектроскопия и продвинутая электронная микроскопия, команда показывает, что полученные слои чрезвычайно гладкие, а богатый кислородом резервуар хорошо ограничен на интерфейсе. Химические анализы выявляют виды, связанные с кислородом, которые легко принимают или отдают электроны, что подтверждает, что эта область действует как гибкий буфер для обмена кислородом.

Быстрое стабильное переключение с очень низкими утечками

Электрические испытания демонстрируют, что новый мемристор надёжно переключается между высокоомным «выключенным» состоянием и низкоомным «включенным» состоянием в широком диапазоне условий работы. Поскольку резервуар кислорода служит барьером против нежелательных путей утечки, ток в выключенном состоянии чрезвычайно мал, а отношение токов в включённом и выключенном состояниях чрезвычайно велико. Устройство может переключаться всего за несколько миллиардных долей секунды — примерно 8 наносекунд на включение и 15 наносекунд на выключение — и выдерживает как минимум сто тысяч циклов переключения без заметной деградации. Оно также сохраняет своё состояние по крайней мере сто тысяч секунд, даже при повышенных температурах. Эти результаты указывают на то, что движение кислородсодержащих дефектов хорошо контролируется внутри узкого слоя переключения, что приводит к воспроизводимому поведению от устройства к устройству.

Как устройство работает внутри

Внутри слоя оксида гафния отсутствующие атомы кислорода ведут себя как подвижные носители заряда. При приложении положительного напряжения эти вакансии дрейфуют и соединяются, формируя тонкий проводящий путь, что включает устройство. Обратное напряжение втягивает кислород из резервуара в этот путь, восстанавливает его и разрывает соединение, выключая устройство. Поскольку активная область ограничена между гладкими границами с малым числом дефектов, проводящий путь образуется и растворяется в контролируемой манере, а не блуждает непредсказуемо. Измерения тока и напряжения при разных температурах показывают, что как простая проводимость по этому пути, так и эффекты объёмного заряда в изолирующих областях вносят вклад в общее поведение, но тщательно разработанная стопка делает эти процессы высоко повторяемыми.

К низкопотребляющим вычислениям, вдохновлённым мозгом

Помимо работы в роли простого переключателя, устройство может постепенно изменять свою проводимость в ответ на специально подобранные импульсы напряжения, похожим образом на то, как биологическая синапс укрепляется или ослабевает при повторной активности. Авторы используют эти измеренные отклики для моделирования нейронной сети, распознающей рукописные цифры. В этих тестах сеть, построенная на характеристиках их мемристора, достигает примерно 97-процентной точности на стандартном наборе данных, что близко к показателям идеализированных компонентов. Проще говоря, работа показывает, что при строгом ограничении движения кислорода в атомарно гладкой ультратонкой стопке возможно создание элементов памяти, которые быстры, энергоэффективны, высоконадежны и хорошо подходят для будущих «in-memory» и нейроморфных архитектур с низким энергопотреблением.

Цитирование: Li, C., Niu, W., Wan, D. et al. High-speed energy-efficient memristor confined in sub-5 nm space with elemental oxygen reservoir layer. Nat Commun 17, 4117 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70806-4

Ключевые слова: мемристор, нейроморфные вычисления, оксид гафния, двухмерные материалы, низкопотребляющая электроника