Учёные из Университета ИТМО, Физико-технический институт имени А. Ф. Иоффе РАН (ФТИ им. Иоффе) и Харбинского инженерного университета разработали стабильный перовскитный наномемристор, выдерживающий 1,5 тысячи циклов перезаписи и не деградирующий спустя месяцы. По словам международных специалистов, в исследовании удалось получить рекордно маленькие значения размера и энергопотребления — 70–80 нановатт для монокристалла перовскита размером 130–160 нанометров.
Новая разработка позволяет создавать более быстрые и энергоэффективные ультракомпактные процессоры для нейроморфных вычислений. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда. Результаты исследования опубликованы в журнале Opto‑Electronic Advances.
Как объясняют учёные, мемристоры долгое время существовали лишь в теории. Практическая реализация мемристоров стала возможной только в 2008 году с развитием технологий получения сверхчистых полупроводниковых материалов.
Мемристор (от англ. memory — «память», resistor — «сопротивление») — пассивный элемент электрической схемы, способный изменять своё сопротивление в зависимости от протёкшего через него электрического заряда. Эти элементы можно использовать для хранения информации или её энергоэффективной обработки, так как они потребляют меньше энергии, чем обычные кремниевые транзисторы.
Мемристоры можно использовать для создания энергоэффективных систем хранения и обработки информации, включая нейроморфные вычисления, обработку сигналов в системах ИИ, машинного зрения, акустико‑речевых системах и биоинтерфейсах.
Перспективными материалами для создания мемристоров на октябрь 2025 года выступают перовскиты. Специалисты отмечают, что перовскитные мемристоры оставались не совсем подходящими для реальных применений из‑за их нестабильности. Проблема была в структуре самих материалов: используемые многими учёными поликристаллические плёнки перовскитов имеют границы между кристаллитами. Через эти границы проникают влага и кислород, что вызывает химическую деградацию материала, вследствие чего происходит неконтролируемая миграция ионов металлов из электродов. Описанные процессы приводят к невоспроизводимому переключению состояния мемристора при одинаковом напряжении.
Учёные ИТМО, ФТИ им. Иоффе и Харбинского инженерного университета предложили перовскитный мемристор с омическими инертными контактами, а в качестве полупроводника — монокристаллические нанокубы из цезия бромида свинца (CsPbBr3).
CsPbBr3 — один из самых химически стойких перовскитов на основе галогенида свинца. Также монокристаллическая структура нанокуба создаёт стабилизацию электрохимических свойств элементов от цикла к циклу. Сам монокуб перовскита располагается между оксидом индия‑олова и алмазом, легированным бором. Это химически инертные электроды, которые также обеспечивают устойчивость переключения мемристора.
Исследователи рассказали, что им удалось достичь одних из самых низких значений энергопотребления и размера перовскитного мемристора — 70–80 нановатт для монокристалла размером 130–160 нанометров. Другие подобные перовскитные устройства тратят от 200 до 35 тысяч нановатт. Также полученный мемристор переключается менее чем за одну миллисекунду, а разница в амплитуде тока составляет 4–5 порядков.
Как объяснила автор исследования, старший научный сотрудник Нового физтеха ИТМО Александра Фурасова, учёные смоделировали поведение зарядов внутри нанокристалла и увидели, что именно их накопление у границы с контактом приводит к эффекту мемристивности. Фурасова добавила, что по сути это скопление зарядов создаёт дипольный момент, который меняет энергетический барьер в области перовскит‑контакт. Именно это явление и позволяет мемристору переключать сопротивление.
Кроме создания быстрых и энергоэффективных ультракомпактных нейроморфных процессоров для ИИ и машинного обучения, разработка позволит собрать одиночные мемристоры в масштабируемые схемы (кроссбары) для практической реализации логики и коммутации отдельных полупроводников. В дальнейшем международная группа учёных планирует провести эксперименты на массиве монокристаллических нанокубов перовскита и протестировать другие материалы в качестве полупроводников.
