Регистрация / Вход
Прислать материал

Создание мемристора и новых элементов памяти из полупроводниковых нанокристаллов, ионов редкоземельных металлов и золота

Докладчик: Белогорохов Иван Александрович

Должность: Ведущий научный сотрудник, ОАО "Гиредмет", ведущий научный сотрудник

Цель проекта:
Цель проекта направлена на решение фундаментальной задачи физики полупроводников – разработка методов синтеза принципиально новых материалов, обладающих эффектом резистивных переключений и подходящих для создания прототипов мемристора.

Основные планируемые результаты проекта:
Полупроводниковые материалы обладают огромным потенциалом даже в 21 веке. Органические полупроводники могут использоваться в различных применениях, таких как органические солнечные элементы, гибкие дисплеи, органические фотодетекторы и разные виды датчиков [1]. Среди современных методов формирования органических полупроводников известны теневая маска и струйная печать. Однако эти методы формирования не подходят для высокоточного формирования структур на подложках большого размера. Формирование структур на основе фотолитографии может решить эту проблему. Фотолитография сейчас широко применяется для формирования кремниевых полупроводников. Если применить ее для органических полупроводников, используя стандартные фоторезисты, то фоторезист растворит материал органического полупроводника во время обработки. Наибольшее внимание современные материалы привлекают большинство ученых потому что, используя последние достижения в сфере нанотехнологий, можно получать многокомпонентные композитные материалы с люминесценцией при комнатной температуре и поляронной проводимостью [2,3]. Согласно последней работе Стивена Форреста [4] американские ученые ведут аналогичные разработки в области смешанных по составу и стехиометрии материалов, состоящих из двух типов полупроводниковых нанокристаллов, объединенных в единую структуру. В упомянутом материале кват внешнего излучения – фотон - «склеивает» вместе пары электрон — дырка органического и неорганического полупроводников, формируя гибридный поляритон, являющийся особо эффективным средством переноса энергии от одного материала к другому. Как показывают данные Белогорохова И.А. и С. Форреста, благодаря появлению гибридного поляритона, такие конструкции, объединяющие разнородные полупроводники, можно будет использовать для повышения эффективности фотоэлементов, светодиодов «органика — неорганика» и оптического переключения состояний, применяемого во многих областях современной электроники. Сочетая возбуждённые состояния двух принципиально разных материалов, можно получить при этом новое квантовомеханическое состояние, сочетающее все сильные стороны обоих классов веществ, изначально переведенных в наномодификации. Подобные материалы очень важны для российской электронной промышленности, поскольку синтез подобных веществ во многом обеспечит резкий прирост в эффективности физических процессов, протекающих в обоих материалах сразу [5,6].
Современные ученые изготавливают самые передовые кремниевые полевые транзисторы, в которых тонкий кремниевый нелегированный канал огибается затвором. Именно с такой конструкцией транзисторов Международная карта по полупроводникам (ITRS) связывает развитие кремниевой электроники вплоть до 2026 г, когда должен быть достигнут размер 6 нм.
Недавно в ФТИ РАН предложена новая конструкция квантового регистра, очень похожая на полевой транзистор, только с большим количеством отдельных затворов. Таким образом, представ-ленный квантовый компьютер может стать естественным продолжением развития технологии больших интегральных схем.
Вообще, эта идея имеет давнюю предысторию. В 2000 г. [7] было предложено использовать в качестве зарядовых кубитов состояния электронов в двойных квантовых точках – это две туннельно связанные точки. Два нижних энергетических состояния в них (симметричное и антисимметричное) могут иметь очень малый энергетический зазор, что значительно подавляет процессы релаксации на акустических фононах, вопреки интуитивным ожиданиям. У зарядовых кубитов есть несомненные достоинства и неизбежные недостатки. Ими легко управлять, прикладывая напряжение на затворы. Однако неустранимое кулоновское взаимодействие между кубитами и влияние поляризации среды препятствует нормальной работе. Чтобы преодолеть эти затруднения, была предложена оригинальная конструкция квантового регистра на пространственных состояниях электронов, но без перемещения заряда [8]. В процессе работы компьютера на каждую квантовую точку приходится в среднем точно половина электрона. Доказана возможность проведения всех квантовых операций, необходимых для работы универсального квантового компьютера. Достоинством этого компьютера является также возможность проведения измерения конечных со-стояний кубитов, которые теперь уже должны находиться в зарядовых состояниях. Для этого надо установить, присутствует или отсутствует электрон в определенной квантовой точке. Оказалось, что такое измерение можно осуществить путем пропускания тока по каналу и создания условий кулоновской блокады тока, если в измеряемой квантовой точке имеется один дополнительный электрон [9-10]. Но суперкомпьютер, созданный из пары нанокристаллов – не является пределом возможностей для современных разработок. Устройства, генерирующие непрерывный периодический сигнал при пропускании постоянного тока, играют ключевую роль в современных системах связи. Такие генераторы обычно состоят из макроскопических механических резонаторов (например, кристаллов кварца) и занимают довольно много места, что не позволяет размещать их непосредственно на чипе. Для получения плоских листов графена использовали стандартный метод Хаммерса, основанный на окислении графита с последующей эксфолиацией листов, их восстановлением гидразином и очисткой. Для получения смятых графеновых комков использовали разработанный ранее метод аэрозольного распыления. Исходные образцы графена, а также графеновые комки отжигали в течение 30 мин в атмосфере азота при температуре 600оС. Рекордная величина удельной поверхности (свыше 1000 м2/г) и хорошие электрические характеристики делают графен идеальным материалом для электродов суперконденсатора (СК). Это устройство, используемое в качестве накопителя энергии в гибридных автомобильных двигателях и других энергетических установках, рассматривается как одно из эффективных средств снижения нагрузки на окружающую среду в условиях возрастающего потребления энергии. Основная трудность, возникающая при использовании графена в качестве электродов СК, связана с тенденцией графеновых листов к агрегации. Конечно, перспективы молекулярных моторов достаточно интересны, особенно в режиме двигательного аппарата, однако, к сожалению, до повсеместного их использования все еще далеко. Может быть, последние достижения в этой области позволят нам в будущем увидеть наномашины, построенные полностью из молекулярных компонентов. Наномашиностроение продолжает активно развиваться. В работе [11-13] авторы сообщают о синтезе семейства наномоторов на основе макромолекул порфиринов. Им удалось получить эти механизмы методом самосборки из нескольких компонентов: цинковые высокомолекулярные комплексы играли роль ротора и статора, диазобициклооктан (DABCO) использовался в качестве вала. В результате готовые наномоторы оказались достаточно устойчивы. Частота вращения ротора при комнатной температуре достигала 97000 с–1, при этом каких-либо разрушений образцов выявлено не было. Авторы отмечают, что при понижении температуры вращение замедлялось и практически полностью прекращалось при –75°C. Кроме того, добавление/удаление ионов металлов (например, меди) в систему позволяло обратимо регулировать как частоту, так и режим вращения, т.е. угол – шаг поворота ротора. Конечно, перспективы молекулярных моторов достаточно интересны, особенно в режиме двигательного аппарата, однако, к сожалению, до повсеместного их использования все еще далеко. Может быть, последние достижения в этой области позволят нам в будущем увидеть наномашины, построенные полностью из молекулярных компонентов.
В связи со сказанным выше, основной целью проекта служит задача синтеза новых материалов, отличающихся по составу и базовым набором свойств от уже существующих аналогов. Усиливать свойства входящих в итоговый композит компонентов за счет взаимодействия и усиления взаимовлияния различных фракций – одна из ключевых задач работы. Как было описано выше, российские ученые почти не отстают от американских коллег в вопросах изучения свойств новых материалов. Области применения готовых продукций синтеза тоже хватает с избытком – от производства наночипов для существующей электронной базы до гибких сенсорах, считывающих информацию с живого объекта по тепловому излучению.

[1] И. Белогорохов. «Оптические и электрические свойства фталоцианиновых полупроводников. Структуры на основе молекулярных комплексов фталоцианинов, содержащих ионы лантанидов в качестве комплексообразователя», LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH&Co. KG 2010, 140.
[2] I. A. Belogorokhov, M. S. Kotova, E. V. Tikhonov, A. A. Volikhov, M. A. Dronov, Yu. V. Ryabchikov, A. S. Vorontzov, M. N. Martyshov, P. A. Forsh, G. P. Boronina, V. E. Pushkarev, L. G. Tomilova, and D. R. Khokhlov. Journal of Nanoelectronics and Optoelectronics, 7, 1-5 (2012).
[3] M. Dronov, I. Belogorohov and D. Khokhlov. New MEH-PPV Based Composite Materials for Rewritable Nonvolatile Polymer Memory Devices, MRS Proceedings, 1337, mrss11-1337-q05-07 (6 pages) (2011), Copyright © Materials Research Society 2011 DOI: 10.1557/opl.2011.980
[4] M. Slootsky, X. Liu, V. M. Menon, and S. R. Forrest, Phys. Rev. Lett. 112, 076401
[5] М.С. Котова, М.А. Дронов, И.А. Белогорохов. Ученые записки физического факультета, 2, 122501 (2012)
[6] М.С. Котова, М.А. Дронов, И.А. Белогорохов. Научнотехнические ведомости СПбГПУ. Физикоматематические науки, 2(146), 37-40 (2012).
[7]. L.Fedichkin et al., Quantum Computers and Com-puting 1, 58 (2000),arXiv:quant-ph/0006097.
[8]. V.Vyurkov et al., Phys. Lett. A 374, 3285 (2010).
[9]. V.Vyurkov et al., SISC’2013, Washington, USA, Book of Abstracts.
[10] L.Openov, Phys. Rev. B 60, 8798 (1999).
[11[. J.Luo et al., ACS Nano 7, 1464 (2013).
[12[. S.K. Samanta, M. Schmittel, J. Am. Chem. Soc. 135, 18794 (2013).
[13[ М. Маслов, 4 ПерсТ, 20, 24, 1 (2013)

В ходе выполнения ПНИ должны быть получены следующие научные и научно-технические результаты:
1 Лабораторная технологическая инструкция на получение экспериментальных образцов композитных материалов на основе органических соединений
2 Экспериментальные образцы композитных материалов на основе органических соеди-нений.
3 Лабораторная технологическая инструкция на получение экспериментальных образцов композитных материалов на основе нанокристаллов полупроводников типа AIIIBV и AIIBVI и золота.
4 Экспериментальные образцы композитных материалов на основе нанокристаллов полу-проводников типа AIIIBV и AIIBVI и золота.
5 Лабораторная технологическая инструкция на получение экспериментальных образцов мемристоров и элементов памяти на основе полимерных молекул и функциональных ком-плексов, включающих полупроводниковые нанокристаллы и ионы редкоземельных метал-лов и золота.
6 Эскизная конструкторская документация на мемристор.
7 Эскизная конструкторская документация на элементы памяти.
8 Экспериментальные образцы мемристоров.
9 Экспериментальные образцы элементов памяти.
10 Лабораторная технологическая инструкция на получение экспериментальных образ-цов порошков нанокристаллов типа AIIIBV и AIIBVI.
11 Экспериментальные образцы порошков нанокристаллов типа AIIIBV и AIIBVI.
12 Теоретическая модель, описывающая процессы резистивных переключений в природ-ных красителях и синтетических ферментах;
13 Теоретическая модель, характеризующая процессы излучения фотонов в композитных материалах на основе полимерных молекул и функциональных комплексов, включающих полупроводниковые нанокристаллы и ионы редкоземельных металлов и золота.
14 Проект технического задания на проведение ОКР/ОТР по теме: «Разработка техноло-гии и создание элементов памяти повышенной емкости».

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Согласно последним данным, российские ученые проводят успешные разработки в области микропроцессоров с 65 нм основой. Но тактовая частота в 800 МГц в настоящее время н является пределом пороговых значений. У нас есть, к чему стремиться и за какие показатели результативности бороться. Представленный проект имеет все шансы на успешную реализацию в стартующих проектах по разработки электронной базы. Согласно данным ФМС, в России проживает 142 млн. человек, и каждый второй обладает мощным компьютером (ноутбуком, айпадом, ридером) и айфоном. Следовательно, новые технологии в области электроники являются востребованными и при грамотном подходе к постановке вопроса рекламы пользователями новой технологии уже сейчас могут стать более 70 млн. человек. Только за полтора года компания, успевшая реализовать представленные в проекте разработки в массовом производстве, сможет получить выручку в 1050 млрд. рублей, и это не принимая в расчет госзаказы от Министерства обороны. Разработанные в проекте образцы найдут свое применение во многих отраслях российской промышленности. Элементы памяти, микропроцессоры, наночипы, контроллеры, логические элементы, оптоволоконные линии связи, элементы памяти, работающие исключительно под воздействием инфракрасного излучения – все эти изделия можно реализовать в производстве из представленных в проекте разработок.
Разрабатываемые материалы могут найти применение в следующих отраслях промышленности:
1. Полимерные композиционные материалы
функционального назначения;
2. Новые изделия микро- и оптоэлектроники;
3. Аддитивные технологии и 3D-печать;
4. Машиностроение;
5. Авиационная промышленность;
6. Химическая промышленность


Текущие результаты проекта:
В ходе выполненных за отчетный период работ достигнуты
следующие показатели:
Синтезированы новые типы композиционных материалов нового состава;
Материалы научных разработок были представлены на Московской
международной выставке инструментов, оборудования,
технологий «MITEX»;
Готовится проект патента по теме синтеза композиционных материалов
функционального назначения для микроэлектроники;
Подготовлены материалы кандидатской диссертации по теме: «Высокоточные
методики анализа и стандартные образцы в области влагометрии
твёрдых веществ»;
Материалы работ опубликованы в 3-х статьях рецензируемых журналов из
списка ВАК РФ;
Материалы исследований представлены на 6-й Международной
научно-практической конференции «Перспективы развития
научных исследований в 21 веке»