Активный слой мемристора



Активный слой мемристора
Активный слой мемристора
Активный слой мемристора
Активный слой мемристора
Активный слой мемристора
Активный слой мемристора
H01L45/00 - Приборы на твердом теле для выпрямления, усиления, генерирования или переключения, не имеющие потенциального барьера, на котором имеет место скачкообразное изменение потенциала, или поверхностного барьера, например диэлектрические триоды; приборы с эффектом Овшинского; способы и устройства, предназначенные специально для изготовления или обработки вышеуказанных приборов или их частей (приборы, состоящие из нескольких компонентов на твердом теле, сформированных на общей подложке или внутри нее, H01L 27/00; приборы с использованием сверхпроводимости H01L 39/00; пьезоэлектрические элементы H01L 41/00; приборы с эффектом отрицательного объемного сопротивления H01L 47/00)

Владельцы патента RU 2711580:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук (ИФП СО РАН) (RU)

Изобретение относится к технике накопления информации, к вычислительной технике, в частности к элементам резистивной памяти, и может быть использовано при создании устройств памяти, например, вычислительных машин, микропроцессоров электронных паспортов, электронных карточек. Активный слой мемристора содержит частицы фторографена и частицы кристаллогидрата оксида ванадия V2O5⋅nH2O с n≤3. Фторографен фторирован до степени 30% или более. Латеральный размер частиц фторографена составляет от 20 до 100 нм, толщина частиц от 1 монослоя до 2 нм. Диаметр частиц кристаллогидрата оксида ванадия - от 5 до 20 нм. Частицы кристаллогидрата оксида ванадия капсулированы частицами фторографена. Соотношение содержания фторографена к содержанию кристаллогидрата оксида ванадия взято от 0,5 до 0,7 масс. %. Активный слой выполнен толщиной от 40 до 70 нм. Активный слой по изобретению обеспечивает повышение отношения величин токов в открытом и закрытом состояниях (Ion/Ioff), повышение стабильности переключений без изменений сигналов, достижение времени переключения до величины наносекундного диапазона. 7 ил.

 

Техническое решение относится к технике накопления информации, к вычислительной технике, в частности, к элементам резистивной памяти, к элементам памяти электрически перепрограммируемых постоянных запоминающих устройств, сохраняющих информацию при отключенном питании, и может быть использовано при создании устройств памяти, например, вычислительных машин, микропроцессоров, электронных паспортов, электронных карточек.

Устройства памяти, функционирующие на основе эффекта резистивных переключений, привлекают все большее внимание из-за своей простоты, низкого энергопотребления, низкой величины управляющего напряжения, малого времени переключения, а также энергонезависимого и долгого сохранения информации. На сегодняшний день не так уж и много материалов, демонстрирующих эффект резистивных переключений, которые могут быть использованы для создания элементов памяти на основе резистивного эффекта. Большой интерес в последнее время представляют структуры, в которых активный слой мемристора содержит графен, функционализированный графен, поскольку указанные материалы обладают уникальным сочетанием механических и электронных свойств и тем самым открывают новые возможности для создания устройств гибкой, печатной, носимой и прозрачной электроники.

Известен активный слой мемристора (S.K. Hong, J.E. Kim, S.O. Kim, S.-Y. Choi, B.J. Cho, Flexible Resistive Switching Memory Device Based on Graphene Oxide, IEEE Electron Device Letters, 31, 2010, 1005), содержащий оксид графена.

Активный слой, выполняемый из диэлектрика, материалом которого служит оксид графена, нанесен из суспензии, содержащей оксид графена, воду и метанол, методом центрифугирования, толщиной 3 нм на расположенный на подложке электрод из электропроводящего материала, в частности, алюминия, полученный термическим напылением с использованием металлической маски. На активный слой нанесен посредством термического напыления второй электрод из электропроводящего материала, в частности, алюминия или золота. Таким образом, получена структура мемристора металл-диэлектрик-металл, в которой диэлектрик - оксид графена выполняет функцию активного слоя.

Приведенный аналог не решает технической проблемы расширения спектра возможных приложений мемристоров, в частности, для создания нейроморфных сетей (искусственный интеллект), создания матриц мемристоров, получения надежной энергонезависимой памяти с большей плотностью хранения информации, большим быстродействием, с малым временем переключений. Основная причина - плохая стабильность данного материала и ограниченное количество переключений. Из позитивных свойств оксида графена, можно отметить, что выполненный из оксида графена активный слой имеет низкое управляющее напряжение. Кроме того, технология получения оксида графена недорога, пригодна для гибкой электроники и совместима с печатными технологиями.

Работа мемристоров основана на эффекте резистивного переключения, который заключается в быстром и обратимом переходе материала активного слоя между двумя устойчивыми состояниями с различными сопротивлениями. Для решения указанной технической проблемы, прежде всего, важна достигаемая разница величин токов мемристора в открытом и закрытом состояниях. Кроме того, необходимы стабильность и высокая скорость переключений.

Материал активного слоя мемристора - оксид графена, являясь нестабильным материалом, способен восстанавливаться при незначительных нагревах или пропускании относительно высокого тока. Как правило, для мемристора с активным слоем из оксида графена отношение величин токов в открытом и закрытом состояниях Ion/Ioff не превышает 103, что является невысоким значением. Кроме того, первоначально в таких элементах памяти было возможно лишь одинарное переключение, затем была достигнута возможность реализации 100 переключений, а последнее достижение - 103 -104 переключений (C.-Y. Liu, Y.-X. Zhang, С.-Р. Yang, С.-Н. Lai, М.-Н. Weng, C.-S. Ye, C.-K. Huang, Effects of Graphene Oxide Layer on Resistive Memory Properties of Cu/GO/SiO2/Pt Structure, Sensors and Materials, Vol. 30, No. 3 (2018) 463-469). Для мемристора с активным слоем из оксида графена характерны высокие времена переключения, что обусловлено возникающим механизмом протекания электрического тока через оксид графена.

В качестве ближайшего аналога выбран активный слой мемристора (патент РФ №2603160 на изобретение), содержащий фторографен со степенью фторирования от 50 до 80%.

Активный слой из указанного материала выполнен на проводящем электроде, расположенном на подложке. Активный слой нанесен методом центрифугирования профторированной суспензии графена до степени фторирования от 50 до 80%. В качестве исходной суспензии графена для фторирования использована суспензия графена в составе графена 50%, плавиковой кислоты от 3 до 10%, воды от 40 до 47%, с соответствием меньшего количества плавиковой кислоты большему количеству воды, и наоборот. При этом получение частиц графена реализовано посредством измельчения природного очищенного графита, последующей интеркаляции в полученный порошок растворителя, обеспечивающего отсутствие химического окисления графита и способствующего расслоению графита, и финальной обработки ультразвуком и центрифугированием для окончательного расслоения частиц графита.

Посредством ближайшего аналога не решается техническая проблема расширения спектра возможных приложений мемристоров, в частности, для создания нейроморфных сетей (искусственный интеллект), создания матриц мемристоров, получения надежной энергонезависимой памяти с большой плотностью хранения информации, большим быстродействием, с малым временем переключений, низким управляющим напряжением, относительно недорогой, пригодной для гибкой электроники и совместимой с печатными технологиями.

Активный слой из фторографена с указанной степенью фторирования приготовлен с использованием растворителя, в частности, диметилформамида, в исходной суспензии графена.

Разработка данного активного слоя направлена на повышение стабильности резистивных переключений мемристора - из высокоомного в низкоомное состояния, и, наоборот - в процессе циклического переключения.

Достигаемая величина самого эффекта резистивных переключений невысока. Отношения величин токов в открытом и закрытом состояниях (Ion/Ioff) составляет всего чуть более 2 порядков. Эффект резистивных переключения, как было позднее показано, обуславливает наличие следов растворителя - диметилформамида. Хотя разработка указанного аналога преследовала цель достижения стабильности резистивных переключений мемристора, система фторографен-диметилформамид обеспечивает не достаточно высокую стабильность переключений без изменения сигнала, поскольку с течением времени, при продолжительном циклировании, подвержена деградации, обусловленной наличием органического компонента. Кроме того, система фторографен -диметилформамид обеспечивает механизм протекания тока с высоким временем резистивного переключения (по полученным оценкам - микросекунды).

Разработка предлагаемого активного слоя мемристора направлена на решение технической проблемы расширения спектра возможных приложений мемристоров, в частности, для создания нейроморфных сетей (искусственный интеллект), создания матриц мемристоров, получения надежной энергонезависимой памяти с большой плотностью хранения информации, высоким быстродействием, с малым временем переключений, низким управляющим напряжением, относительно недорогой, пригодной для гибкой электроники и совместимой с печатными технологиями за счет нижеследующего технического результата.

Техническим результатом является:

- повышение отношения величин токов в открытом и закрытом состояниях (Ion/Ioff) с достижением 6-9 порядков;

- повышение стабильности - до 2×106 циклов переключений без изменений сигналов;

- достижение времени переключения до величины наносекундного диапазона.

Технический результат достигается активным слоем мемристора, содержащим частицы фторографена, в котором фторографен фторирован до степени 30% или более, латеральный размер частиц фторографена - от 20 до 100 нм, а толщина частиц от 1 монослоя до 2 нм, кроме того, в состав активного слоя включены частицы кристаллогидрата оксида ванадия V2O5⋅nH2O с n≤3 с размером в диаметре от 5 до 20 нм, при этом частицы кристаллогидрата оксида ванадия капсулированы частицами фторографена, соотношение содержания фторографена к содержанию кристаллогидрата оксида ванадия взято от 0,5 до 0,7 масс. %, причем слой выполнен толщиной от 40 до 70 нм, включая указанные значения.

Сущность решения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми фигурами.

На Фиг 1 представлены изображения композитного материала активного слоя мемристора, полученные просвечивающей электронной микроскопией - а) с латеральным размером частиц фторографена менее 50 нм и полученные атомно-силовой микроскопией

- б) с латеральным размером частиц фторографена менее 100 нм.

На Фиг. 2 представлена схематически структура мемристора с активным слоем из композитного материала с системой фторографен (FG)/ кристаллогидрат оксида ванадия (V2O5⋅nH2O с n≤3) в различных функциональных состояниях, обусловленных приложенным напряжением к электродам мемристора, иллюстрирующих поведение диполей Н-ОН и изменения в зонной диаграмме системы: а) исходной состояние, б) открытое состояние, в) закрытое состояние.

На Фиг. 3 приведены зонные диаграммы системы фторографен (FG)/ кристаллогидрат оксида ванадия (V2O5⋅nH2O с n≤3) композитного материала активного слоя, соответствующие различным состояния: а) исходное состояние, без приложения напряжения к электродам; б) при приложении напряжения, обусловливающего открытое состояние; в) при снятии напряжения, обуславливающего открытое состояние.

На Фиг. 4 схематически показана структура мемристора, выполненного на подложке, с кросс-бар архитектурой в составе двух электропроводящих электродов и размещенного между ними активного слоя из композитного материала с частицами кристаллогидрата оксида ванадия (V2O5), капсулированными фторированным (со степенью фторирования 30% или более) графеном, где: 1 - подложка; 2 и 3 - электроды; 4 - активный слой.

На Фиг. 5 для демонстрации повышения величины эффекта резистивного переключения и его стабильности приведены вольт-амперные характеристики (ВАХ) для структуры мемристора с активным слоем, выполненным с использованием композитного материала с частицами кристаллогидрата оксида ванадия (V2O5), капсулированными фторированным (со степенью фторирования 30% или более) графеном, стрелки указывают порядок записи, начиная при положительных значениях напряжения, точками в виде трехугольников отложены значения тока от напряжения первого прохода при записи ВАХ, круглыми точками отложены значения тока от напряжения пятого прохода при записи ВАХ.

На Фиг. 6 представлен пакет импульсов тока, демонстрирующий стабильность амплитуды тока с течением времени при импульсных переключениях из высокоомного в низкоомное состояния, и, наоборот, мемристора с активным слоем, выполненным из композитного материала с частицами кристаллогидрата оксида ванадия (V2O5), капсулированными фторированным (со степенью фторирования 30% или более) графеном.

На Фиг. 7 показаны зависимости величин токов, соответствующих низкоомному и высокоомному состояниям при импульсных переключениях мемристора с активным слоем, выполненным из композитного материала, от количества импульсов (числа циклов переключений).

Активный слой мемристора, также как и наиболее близкий аналог, содержит частицы фторографена.

К особенностям предлагаемого решения, обеспечивающего достижение технического результата и, как следствие, решение приведенной технической проблемы, относятся отличия в составе материала активного слоя мемристора. Существенными отличиями является следующее.

Во-первых, в составе материала активного слоя мемристора кроме частиц фторографена присутствуют наночастицы кристаллогидрата оксида ванадия, которые рассредоточены в слое, капсулированы частицами фторографена, образуя мультибарьерную систему фторографен (FG)/ кристаллогидрат оксида ванадия (V2O5⋅nH2O с n≤3), как показывает микроскопия (см. Фиг. 1). Фторографен обладает хорошей адгезией к оксиду ванадия, в результате обеспечивается капсулирование частиц кристаллогидрата оксида ванадия. По электрофизическим свойствам фторографен ведет себя как диэлектрик, а оксид ванадия является материалом, проводящим электрический ток. Наличие указанной системы играет ключевую роль в формировании механизма переключения мемристора из высокоомного в низкоомное состояния, и, наоборот (см. Фиг. 2 и 3), обеспечивая достижение технического результата, в частности, относительно увеличения отношения величин токов в открытом и закрытом состояниях (Ion/Ioff) с достижением 6-9 порядков.

В капсулированных наночастицах кристаллогидрата оксида ванадия присутствуют молекулы воды. Наблюдаемый эффект резистивного переключения, заключающийся в быстром и обратимом переходе материала активного слоя между двумя устойчивыми состояниями с различными сопротивлениями и достигаемый величины до 9 порядков, может быть связан с активностью Н+ и ОН- групп, которые формируют диполи в частицах кристаллогидрата оксида ванадия. В отношении пленок фторографена установлено, что эффект резистивных переключений стабилен, однако величина самого эффекта резистивных переключений невысока. В пленках оксида ванадия, в которых последний образует нанокластеры, эффект биполярных переключений нестабилен, но величина соотношения токов Ion/Ioff достигает пять порядков.

В исходном состоянии, без приложения напряжения к структуре мемристора (см. Фиг. 2 а)), диполи находятся в разориентированном состоянии. При приложении открывающего напряжения (см. Фиг. 2 б)) диполи ориентируются друг относительно друга параллельно, тем самым формируя встроенное электрическое поле. Указанное поле облегчает туннелирование носителей заряда между наночастицами кристаллогидрата оксида ванадия и разделяющими их друг от друга слоями капсулирующего фторографена. Облегчение туннелирования происходит за счет дополнительного понижения потенциального барьера системы фторографен - кристаллогидрат оксида ванадия (см. Фиг. 2 б) и Фиг. 3 б)) относительно потенциального барьера, соответствующего исходному состоянию системы, без подачи напряжения (см. см. Фиг. 2 а) и Фиг. 3 а)). Обеспечивается формирование множественных каналов, проводящих электрический ток. В результате происходит резистивное переключение в низкоомное состояние. Снятие напряжения со структуры (см. Фиг. 3 в)), U=0, не сопровождается переориентацией диполей и изменением встроенного за счет ориентации диполей при подаче открывающего напряжения поля. При подаче напряжения обратной полярности, закрывающего напряжения (см. Фиг. 2 в) и Фиг. 3 в)), происходит переориентация диполей, возникает противоположно направленное встроенное поле, вносящее также вклад в изменение потенциального барьера системы. Подача закрывающего напряжения, в конечном счете, приводит к нарушению сформированных при открывающем напряжении каналов, проводящих электрический ток. В результате происходит переход в высокоомное состояние материала активного слоя. При этом возникающее встроенное поле за счет наличия диполей усиливает действие приложенного напряжения к системе и, таким образом, достигается выигрыш в разнице величин токов в открытом и закрытом состояниях. Экспериментально установлено для структур (см. Фиг. 4) с активным слоем указанного композитного материала, что отношение величин токов в открытом и закрытом состояниях (Ion/Ioff) может достигать 6-9 порядков (см. Фиг. 5).

Кроме того, используемый в активном слое композит обеспечивает стабильность переключений. Поскольку система фторографен-кристаллогидрат оксида ванадия в отличие от приведенного ближайшего аналога в течение времени, при продолжительном циклировании, не подвержена деградации, обусловленной наличием органического компонента.

Во-вторых, фторографен в виде частиц фторирован до степени 30% или более. Необходимость данной степени фторирования диктуется требованием получения частиц фторографена, обладающих диэлектрическими свойствами. Посредством частиц фторографена в композите активного слоя сформированы потенциальные барьеры (см. Фиг. 2 и 3) между электропроводящими наночастицами кристаллогидрата V2O5. Это обеспечивает высокое сопротивление материала активного слоя в закрытом состоянии мемристора и, как следствие, вносит вклад в повышение отношения величин токов в открытом и закрытом состояниях (Ion/Ioff) с достижением 6-9 порядков (см. Фиг. 5).

В-третьих, толщина частиц фторографена должна быть от 1 монослоя до 2 нм, включая указанные значения. Латеральный размер частиц фторографена составляет от 20 до 100 нм. Приведенная толщина частиц фторографена обеспечивает толщину потенциальных барьеров между электропроводящими наночастицами кристаллогидрата оксида ванадия V2O5 не более 2 нм, что обуславливает достижение времен переключения мемристорной структуры наносекундного диапазона (30 нс). Указанные латеральные размеры частиц фторографена (размер их в поперечнике, диаметр) в сочетании с малой толщиной частиц и их гибкостью обеспечивают капсулирование наночастиц кристаллогидрата оксида ванадия V2O5. Капсулирование частицами фторографена кристаллогидрата предотвращает потери молекул воды частиц кристаллогидрата, и, таким образом, обеспечивает стабильность переключений мемристорной структуры (см. Фиг. 6 и 7).

В-четвертых, соотношение содержания фторографена к содержанию кристаллогидрата оксида ванадия взято от 0,5 до 0,7 масс. %, включая указанные значения. В случае содержания в композите частиц фторографена менее 0,5 масс. % полного капсулирования наночастиц кристаллогидрата не происходит, в результате чего в композите возникают высокие точки утечки, что приводит к резкому снижению отношения величин токов в открытом и закрытом состояниях (Ion/Ioff). В случае содержания в композите частиц фторографена более 0,7 масс. % переход в открытое состояние мемристорной структуры не обеспечивается.

В-пятых, толщина активного слоя, как определено экспериментально, в целях достижения технического результата составляет от 40 до 70 нм, включая указанные значения. Эксперименты показали, что использование толщин активного слоя более 70 нм приводит к росту времени переключения. Активный слой толщиной менее 40 нм подвержен пробою, поскольку при толщинах менее 40 нм происходит сближение величин напряжения переключения и напряжения наступления пробоя слоя.

В-шестых, в состав активного слоя включен кристаллогидрат оксида ванадия V2O5 в виде наночастиц размером в диаметре от 5 до 20 нм, включая указанные значения. Наночастицы кристаллогидрата оксида ванадия не должны быть чрезмерно крупными, не более 20 нм в диаметре. Указанное ограничение связано с тем, что активный слой получают посредством печатной технологии, что сопровождается термообработкой с целью сушки. Использование крупных частиц, более 20 нм в диаметре, требует дополнительной термообработки для сушки, в результате которой происходит снижение содержания Н+ и ОН- групп, формирующих диполи, и, как следствие, приводит к падению Ion/Ioff. В то же время наночастицы кристаллогидрата оксида ванадия не должны быть менее 5 нм, так как при этом эффект также падает. Проявление эффекта начинает наблюдаться для частиц, характеризующихся диаметром 5 нм. Для напечатанного активного слоя при этом сушка осуществляется при температуре 30°С, что близко к комнатной температуре, и является щадящим режимом для сохранения Н+ и ОН- групп.

Осуществлено тестирование активного слоя. В целях подтверждения возможности достижения технического результата выполнены тестовые структуры - кроссбар структуры мемристора (см. Фиг. 4). Мемристор содержит расположенные на подложке 1 два электропроводящих электрода 2 и 3, расположенный между электродами 2 и 3 и электрически контактирующий с ними активный слой 4 на основе наночастиц фторографена и наночастиц кристаллогидрата оксида ванадия.

Электропроводящие электроды 2 и 3, с которыми контактирует активный слой 4, выполнены из частиц серебра методом струйной печати, толщиной 200 нм, сопротивлением 0,2 Ом/кв. В качестве подложки 1 использована, в частности, бумажная подложка или полиимидная подложка.

Частицы кристаллогидрата оксида ванадия получены известным золь-гель методом из ацетилацетоната ванадила VO(C5H7O2)2. Их размер определяется концентрацией используемых ингредиентов при реализации золь-гель метода. Эффект увеличения отношения величин токов в открытом и закрытом состояниях (Ion/Ioff) наблюдается при использовании кристаллогидрата оксида ванадия V2O5 в виде наночастиц размером в диаметре от 5 до 20 нм. Максимальный эффект в росте отношения величин токов в открытом и закрытом состояниях (Ion/Ioff) с достижением 9 порядков зафиксирован для композитного материала с мелкими частицами кристаллогидрата V2O5, размером в диаметре 5 нм.

Частицы фторографена получены известным способом из предварительно измельченного графита (в частности, терморасширенного) с фторированием до степени 30%, или более, например до 40%, или достижения степени, соответствующей максимально полному фторированию. Степень фторирования 30% или более обеспечивает отсутствие электрической проводимости фторографена. Фторографен ведет себя как диэлектрик. При этом частицы сформированы толщиной, величина которой принимает значение от 1 монослоя - нижний предел и не более 2 нм - верхний предел. Указанное условие важно, поскольку именно тонкие частицы фторографена способны образовывать монолитный слой, обеспечивающий капсулирование частиц кристаллогидрата оксида ванадия. Латеральный размер частиц фторографена (или размер их в поперечнике) составляет от 20 до 100 нм. Указанные размеры (толщины и в поперечнике) являются характерными размерами, которые достижимы в известном процессе фторирования суспензии графена в водном растворе плавиковой кислоты, сопровождаемом фрагментацией и расслоением исходных частиц графена.

Контроль степени фторирования может осуществляться рентгеновской фотоэлектронной спектроскопией (методом РФЭС), либо по изменению проводимости слоев, получаемых из суспензий.

Полученный активный слой 4 посредством печатной технологии содержит композитный материал, в составе которого присутствуют частицы фторографена и частицы кристаллогидрата оксида ванадия. В чернилах для печати использовали водную суспензию фторографена с указанной степенью фторирования, с содержанием в ней частиц фторографена 0,5-1,0 мг/мл и спиртовый раствор с наночастицами кристаллогидрата V2O5 с содержанием в нем частиц кристаллогидрата оксида ванадия 0,3-0,6 мг/мл. Обнаружено, что проявление эффекта резистивных переключений в максимальной степени (достижение максимального значения отношения величин токов в открытом и закрытом состояниях (Ion/Ioff), равного девять порядков) происходит в случае, когда для приготовления чернил берут равные по объему части водной суспензии фторографена и спиртового раствора кристаллогидрата оксида ванадия. При этом содержание твердой части в составе частиц фторографена и частиц кристаллогидрата оксида ванадия в количественном отношении охватывается интервалом от 0,4 до 0,8 мг/мл. При пересчете содержания твердой части композитной суспензии в проценты выходит, что оптимальный состав чернил соответствует составу с твердой частью, равной 60% по объему. Верхняя граница приведенного интервала количественных значений 0,4-0,8 мг/мл определяется тем, что для струйной печати, посредством которой получают активный слой 4 (см. Фиг. 4), содержание твердой части в суспензии, используемой для печати, не должно превышать значения 1 мг/мл во избежание засорения печатающих головок принтера. Нижняя граница данного интервала количественных значений определяется минимальной концентрацией твердых частиц - частиц фторографена и кристаллогидрата оксида ванадия в чернилах (в суспензии, используемой для печати), позволяющей получить активный слой 4 путем печати разумного количества слоев, например, с осуществлением не более 50 проходов. Соотношение компонентов в композитной суспензии определено экспериментально и продиктовано необходимостью обеспечить капсулирование частиц кристаллогидрата оксида ванадия тонкими частицами-листиками фторографена. В композитном материале активного слоя 4 реализовано, как показано микроскопией (см. Фиг. 1), капсулирование частиц кристаллогидрата оксида ванадия частицами фторографена, за счет чего происходит формирование мультибарьерной структуры с тонкими барьерами из частиц фторографена толщиной не более 2 нм. Толщина активного слоя 4 в структурах (Фиг. 4) равна от 40 до 70 нм, что соответствует напечатанным 5-10 слоям с капсулированными частицами кристаллогидрата оксида ванадия - V2O5⋅nH2O с n≤3. Площадь активного слоя 4 в тестовых структурах (Фиг. 4) составила 60×60 мкм2 или 120×120 мкм2.

После выполнения струйной печатью активного слоя 4 проведена термообработка для сушки при температуре от 60°С до 80°С. Термообработка приводит к формированию ровного слоя за счет высыхания чернил. Без термообработки при повышенной температуре время удаления из напечатанного слоя жидкой части чернил относительно велико из-за капсулирующего действия частицами фторографена не только частиц кристаллогидрата оксида ванадия, но и жидкой компоненты чернил.

Технический результат, выражающийся в повышении отношения величин токов в открытом и закрытом состояниях (Ion/Ioff) с достижением 6-9 порядков, повышении стабильности переключения, до 2×106 переключений без изменений сигналов, а также достижении низких времен переключения, до величин наносекундного диапазона (30 нс), базируется на использовании активного слоя 4 мемристора (см. Фиг. 4) на основе частиц фторографена со степенью фторирования 30% или более толщиной от 1 монослоя или более, но не более 2 нм, и капсулируемых частицами фторографена наночастиц кристаллогидрата оксида ванадия диаметром от 5 до 20 нм, при соотношении содержания фторографена к содержанию кристаллогидратов оксида ванадия от 0,5 до 0,7 масс. %.

Достижение указанного технического результата подтверждают экспериментальные измерения, проведенные на тестируемых структурах мемристора.

Активный слой из композита на основе частиц фторографена и частиц кристаллогидрата оксида ванадия (см. Фиг. 4) используется в мемристоре следующим образом.

При подаче на электропроводящие электроды 2 и 3 короткого импульса напряжения амплитуды, например, 2,5 В и длительностью, например, 100 не - напряжения записи информации, возникает напряженность электрического поля, которая необходима и достаточна для протекания электрического тока через активный слой 4. Активный слой 4, расположенный между обкладками конденсатора - электропроводящими электродами 2 и 3, переходит из высокоомного состояния, соответствующего логическому 0, в низкоомное состояние, соответствующего логической 1. Происходит формирование множественных проводящих электрический ток одномерных каналов, аналогичных филаменту, по которым начинает протекать электрический ток. Осуществляется запись информации. Для стирания записанной информации к активному слою 4 прикладывают напряжение противоположной полярности той же величины и длительности. В результате осуществляется переход материала активного слоя 4, расположенного между обкладками конденсатора (электропроводящими электродами 2 и 3), в высокоомное состояние. При этом благодаря выполнению активного слоя 4 из композитного материала на основе частиц кристаллогидрата оксида ванадия размером в диаметре от 5 до 20 нм и частиц фторографена со степенью фторирования 30% или более, с толщиной от 1 монослоя до 2 нм, которые капсулируют частицы кристаллогидрата оксида ванадия, обеспечивая сплошные изолирующие барьеры за счет высокой адгезии частиц фторографена к частицам кристаллогидрата оксида ванадия и присутствия в последнем Н+ и ОН- групп, происходит формирование одномерных проводящих электрический ток каналов более эффективно, приводя в результате к повышению значения соотношения Ion/Ioff от 6 до 9 порядков (см. Фиг. 5 и Фиг. 7). Кроме того, обеспечивается достижение стабильности циклов переключений без изменений сигналов (см. Фиг. 6 и 7) и длительности времени переключения, равной величине наносекундного диапазона, за счет наличия указанных изолирующих барьеров в результате капсулирования частицами фторографена частиц кристаллогидрата оксида ванадия.

Для считывания информации после открывающего импульса, например, длительностью 100 не, по истечению времени, например, 1 мкс, подают считывающий импульс с амплитудой напряжения 0,5 В.

Активный слой мемристора, содержащий частицы фторографена, отличающийся тем, что фторографен фторирован до степени 30% или более, латеральный размер частиц фторографена составляет от 20 до 100 нм, толщина частиц - от 1 монослоя до 2 нм, в состав активного слоя включены частицы кристаллогидрата оксида ванадия V2O5⋅nH2O с n≤3 с размером в диаметре от 5 до 20 нм, при этом частицы кристаллогидрата оксида ванадия капсулированы частицами фторографена, соотношение содержания фторографена к содержанию кристаллогидрата оксида ванадия взято от 0,5 до 0,7 масс. %, причем слой выполнен толщиной от 40 до 70 нм, включая указанные значения.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области микро- и наноэлектроники, а именно к технологии изготовления синаптического мемристора на основе нанокомпозита металл-нестехиометрический оксид, который обладает адаптивными (нейроморфными) свойствами.

Использование: для создания СВЧ и КВЧ монолитных интегральных схем. Сущность изобретения заключается в том, что трехэлектродный полупроводниковый прибор содержит размещенные на нем два контакта Шоттки высокочастотного тракта и один управляющий электрод, образующий омический контакт и расположенный вне пространства между контактами в высокочастотном тракте, контакты Шоттки высокочастотного тракта выполнены в виде встречно-штыревой системы металлизации и сформированы к верхнему, активному, слою полупроводниковой структуры, а управляющий электрод формируется к высоколегированному слою полупроводниковой структуры, который располагается за активным слоем полупроводниковой структуры.

Использование: для создания компьютерных систем на основе мемристорных устройств со стабильными и повторяемыми характеристиками. Сущность изобретения заключается в том, что мемристорный материал включает наноразмерный слой фтористого лития, содержащего нанокластеры металла, причем наноразмерный слой выполнен в виде пленки на диэлектрической подложке, а в качестве материала для нанокластеров использована медь.

Изобретение относится к устройствам микро- и наноэлектроники. Мемристорные устройства являются устройствами энергонезависимой памяти и могут быть использованы для создания компьютерных систем на основе архитектуры искусственных нейронных сетей.

Изобретение относится к области электроники. .

Изобретение относится к полупроводниковым приборам и может быть использовано в качестве переключающего элемента (ключа) или управляемого конденсатора в интегральных микросхемах, работающих, в том числе, на частотах выше 10 ГГц.

Изобретение может быть использовано при изготовлении элементов памяти для вычислительных машин, микропроцессоров, электронных паспортов и карточек. Измельчают природный очищенный графит, в полученный порошок интеркалируют растворитель, не приводящий к химическому окислению графита, но способствующий расслоению графита, например диметилформамид или N-метилпирролидон.

Изобретение относится к вычислительной технике. Технический результат заключается в снижении паразитной емкости между плавающими затворами соседних флэш элементов памяти и предотвращении стирания информации соседних флэш элементов памяти.

Изобретение относится к области обработки данных в вычислительных системах. .

Изобретение относится к вычислительной технике и предназначено для хранения информации при отключенном питании. .

Изобретение относится к вычислительной технике, в частности к электрически перепрограммируемым постоянным запоминающим устройствам, сохраняющим информацию при отключенном питании.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к средствам для определения концентрации анализируемого вещества. .

Изобретение относится к способам для модифицирования программного обеспечения с помощью приема и исполнения дельта-файлов. .

Изобретение относится к устройствам энергонезависимой электрически перепрограммируемой памяти, реализуемым с помощью методов микро- и нанотехнологии. .

Изобретение относится к вычислительной технике, в частности к электрически перепрограммируемым постоянным запоминающим устройствам, сохраняющим информацию при отключении питания.

Изобретение относится к вычислительной технике, в частности к электрически перепрограммируемым постоянным запоминающим устройствам. .

Изобретение относится к способу получения поливанадата аммония из высококонцентрированного ванадийсодержащего раствора. Способ включает следующие этапы: a) берут высококонцентрированный ванадийсодержащий раствор, нагревают его до температуры, составляющей от 65 до 85°C, доводят величину pH до значений, составляющих от 6,5 до 8,5, добавляют соль аммония и перемешивают до полного растворения; b) нагревают воду или надосадочную жидкость, полученную при осаждении ванадия, до температуры, составляющей от 80 до 90°C, добавляют в нее ванадийсодержащий порошок и доводят величину pH до значений, составляющих от 2,0 до 3,0; причем ванадийсодержащий порошок представляет собой по меньшей мере одно из следующих веществ: поливанадат аммония, метаванадат аммония, пентоксид ванадия или триоксид ванадия; а количество добавляемого ванадийсодержащего порошка в 16–20 раз превышает величину произведения содержания триоксованадата в высококонцентрированном ванадийсодержащем растворе на объем высококонцентрированного ванадийсодержащего раствора; c) медленно добавляют при перемешивании раствор, полученный в этапе a), в раствор, полученный в этапе b), при поддержании величины pH в диапазоне от 2,0 до 3,0 во время добавления; причем скорость медленного добавления раствора составляет от 15 до 25 мл/мин; и d) позволяют прореагировать в течение времени, составляющего от 5 до 30 минут после добавления раствора с этапа a), а затем фильтруют и промывают с получением поливанадата аммония.

Изобретение относится к технике накопления информации, к вычислительной технике, в частности к элементам резистивной памяти, и может быть использовано при создании устройств памяти, например, вычислительных машин, микропроцессоров электронных паспортов, электронных карточек. Активный слой мемристора содержит частицы фторографена и частицы кристаллогидрата оксида ванадия V2O5⋅nH2O с n≤3. Фторографен фторирован до степени 30 или более. Латеральный размер частиц фторографена составляет от 20 до 100 нм, толщина частиц от 1 монослоя до 2 нм. Диаметр частиц кристаллогидрата оксида ванадия - от 5 до 20 нм. Частицы кристаллогидрата оксида ванадия капсулированы частицами фторографена. Соотношение содержания фторографена к содержанию кристаллогидрата оксида ванадия взято от 0,5 до 0,7 масс. . Активный слой выполнен толщиной от 40 до 70 нм. Активный слой по изобретению обеспечивает повышение отношения величин токов в открытом и закрытом состояниях, повышение стабильности переключений без изменений сигналов, достижение времени переключения до величины наносекундного диапазона. 7 ил.

Наверх