Регистрация / Вход
Прислать материал

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

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
мемристор, нанокристаллы, золото, гетероциклические комплексы

Цель проекта:
1) 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. 2) Конечный продукт, полученный в ходе реализации проекта должен стать основой для производства новой элементной базы в электронной промышленности. Разрабатываемые композиционные материалы смогут найти применение в машиностроении, авиации, реализации космической программы, а также микроэлектронике.

Основные планируемые результаты проекта:
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 соединений.
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 полупроводников типа AIIIBV и AIIBVI и золота.
5 Лабораторная технологическая инструкция на получение экспериментальных образцов мемристоров и элементов памяти на основе полимерных молекул и функциональных комплексов, включающих полупроводниковые нанокристаллы и ионы редкоземельных металлов 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 образцов порошков нанокристаллов типа AIIIBV и AIIBVI.
11 Экспериментальные образцы порошков нанокристаллов типа AIIIBV и AIIBVI.
12 Теоретическая модель, описывающая процессы резистивных переключений в природных 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 технологии и создание элементов памяти повышенной емкости».
Разрабатываемые экспериментальные образцы элементов памяти должны обладать следующими характеристиками:
- время записи, нс от 100 до 10 000;
- время чтения, нс от 100 до 10 000;
- максимальная плотность тока, А/мм2 0,01;
- рабочая температура, К 300;
- максимальная напряженность поля, В/см 100.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1)Полупроводниковые технологии являются основой для всей электронной базы, существующей на мировом рынке. Компьютеры, телефоны и системы обработки информации – все это не могло бы существовать без таких элементов как кремний, германий, арсенид галлия, фосфит индия и других полупроводниковых материалов. Но современный рынок микроэлектроники выдвигает новые требования к материалам. Электроника нового века должна быть экономичной, пластичной, легко изготовляемой и иметь биологическую совместимость с такими объектами как клетка и ткань. При этом новая технология должна сохранить все преимуществ предшествующих разработок. Один из подходов к созданию новых материалов и устройств на их основе заключается в идее модернизации существующих технологий и компонентов. В частности, развитие такого класса веществ как композиционные материалы позволяет получать комбинацию полезных свойств нескольких веществу в одном объекте. При этом не возникает серьезных задач в области синтеза макромолекул или создания принципиально новых полимерных звеньев. На сегодняшний день одной из самых важных задач, решить которую стремится почти каждая научная группа – является задача создания стабильного элемента памяти, выходные характеристики которого напоминают фигуры Лиссажу. В литературе подобные системы назвали мемристорами. Известны способы изготовления прототипов данных систем из оксидов полупроводников и металлических нитей. Но высокопроизводительную систему обработки информации, совместимую с биологическими объектами на сто процентов получить пока что не удалось. В качестве одной из причин отсутствия подобных разработок на рынке микроэлектронных устройств можно указать тот факт, что основная масса микросхем и электронных плат делается из неорганических материалов. Органика является одним из самых перспективных материалов для создания нового типа электронных устройств. Она является легко перерабатываемой, восполняется из биомассы планеты и обеспечивает исследователей многообразием готовых комплексов и материалов. Электроника, основанная на органических материалах, является важным предметом для различных исследований и разработок. Эту тенденцию можно объяснить тем, что органические структуры представляются многообещающим материалом для использования в качестве активного слоя в оптоэлектронных устройствах, таких как: полевые транзисторы, светодиоды и фотоэлементы. Органические полупроводники часто могут быть нанесены из раствора, методом центрифугирования (spin coating) или струйной печати. Это делает их значительно дешевле в практическом применении, в отличие от неорганических веществ, для создания структур, на основе которых чаще всего необходимы высокие температуры и ультрачистые высоковакуумные камеры.
2)При явных преимуществах органических материалов перед традиционными полупроводниками задача создания активного элемента памяти, способного стать основой для нейронной сети или компьютеров нового столетия возникает сама собой. Существующие разработки в области биотехнологии уже рассматривают некоторый класс природных комплексов как потенциальную основу для создания мемристоров и электроники нового поколения. Хорошо известно, что основным элементом ионного обмена при внешнем возбуждении в растениях выступает комплекс хлорофилла, состоящий из порфирина магния. Комплекс металлпорфиринов также отвечает за процессы кислородного обмена в организме человека (порфирин железа).
В связи с существующей тенденцией и подходу к синтезу новых логических элементов (мемристоров) мы в своих работах слегка улучшили органический компонент, взяв в качестве основного элемента синтетический аналог порфиринов – фталоцианин. Состоящие из четырех изоиндольных групп, соединенных в макроцикл четырьмя мезо-атомами азота, фталоцианины также обладают определенным набором физических свойств, важных для микроэлектоники и биомедицинских приложений. Особенности методов синтеза фталоцианиновых комплексов позволяют получать органические материалы с высокой степенью чистоты, а сложная система π-электронов обладает возможностью поглощать и излучать электромагнитное излучение в видимом и ближнем ИК- диапазоне. Последние исследования в области синтеза фталоцианиновых комплексов показали, что на основе указанного типа структур можно создавать молекулярные блоки нанометрового размера.
Изначально любой органический полупроводник или полимер представляет собой мелкодисперсный порошок, и для оптимально работы с данным материалом требуется тщательно подбирать подложку, промежуточные слои и контакты, что делает работу с органическими материалами сложной, неэффективной и трудоемкой. Для решения этой проблемы осуществляются работы по созданию композитных материалов – многокомпонентных систем, состоящих из двух или более веществ, в котором одно из образующих выступает в роли матрицы. Матрица композитного материала придает будущему изделию необходимый спектр механических и химических свойств, а нужные физические параметры, такие как проводимость, поглощение и люминесценция определяются набором свойств функциональных групп, введенных в матрицу. Таким образом, синтезируя новые композиционные материалы и исследуя динамику их свойств, можно значительно улучшить существующие устройства микроэлектроники и создать новые поколения приборов и новый элемент памяти – мемристор.
3) Оригинальная идея восходит к концу 1990-х годов, когда старший сотрудник HP-корпорации Стэн Уильямс подбирал информацию для Hewlett-Packard и Quantum Systems Laboratory по прогнозам в области из следующих двух десятилетий вычислений. За 40 лет промышленность, опирающаяся на способности традиционных логических элементов к увеличению производимости, исчерпает свои ресурсы, как когда-либо более дешевые транзисторы на основе закона Мура (наблюдение, сделанное основателем Intel Гордоном Муром в 1965 году, состоит в том, что количество транзисторов, которые могут поместиться на чипе удваивается каждые два лет)
Группы ученых по всему миру соответственно начали изучать классы более миниатюрных транзисторов. Идеи и подходы новых технологий заставили инженеров рассмотреть случай, что произойдет, когда размер логического устройства сократится до размеров отдельных молекул, в которых движение отдельного атома будет влиять на производительность всей систему в целом. При таком размере, исследователи столкнулись с эффектами, описание которых не до конца укладывается в существующие теоретические модели. Ситуация разрешилась в 2008 году, когда одной из научных групп попалась статья, написанная более 35 лет назад Леоном Чуа, профессором в области электротехники и компьютерных наук в Университете Калифорнии, Беркли. В ней Чуа подсчитал, что мемристор станет четвертым электронным компонентом, наряду с резистором, конденсатором и катушкой индуктивности, соединяющим свойства электрической и магнитной составляющей цепи. Позже появились первые работы, доказывающие правоту Чуа. Объектами исследований первых мемристоров образцы в виде тонкой пленки диоксида титана. Впоследствии, данное направление получило большую популярность. В 2012 HRL Labs и научно-исследовательский центр в совместной собственности General Motors и Boeing, объявили о впервые успешно функционирующем мемристоре в виде массива элементов, построенного на комплементарном металло-оксидном полупроводнике (CMOS) в ходе технологического процесса, используемого для производства большинства электронных устройств.
Старые и новые функции элементов микроэлектроники в корне могут быть объединены различными способами. Транзисторы привязаны к переходам электрона между проводящим и изолирующим состоянием, в то время как мемристоры, как аналоговое устройство, могут занимать положение между существующими полупроводниковыми системами. Разработчики нового принципа логического элемента ожидали бурного развития новой технологии. В 2010 в HP-корпорации предсказали, что мемристорные устройства заполнят рынок уже к 2014 году. Но новая технология по-прежнему нуждается в доработках, поскольку каждый год в мире появляется много информации о новых материалах и их свойствах. Прототипы устройства по-прежнему нуждаются в доработке, прежде чем они будут готовы к коммерческой продаже. HP и партнеры по развитию компании до сих пор ищут оптимальные составы для исходного материала. Какая именно нужна комбинация входящих в образцы элементов и конкретных производственных процессов, что позволит лучше получать мемристорный эффект, чтобы сохранить как можно больше объема данных. Но это не все приоритеты одного из титанов современной микроэлектроники. Они также хотят, чтобы новый продукт был включен в технологию стандартных чипов CMOS, что позволит изготавливать новое устройство в больших массах по разумной цене.
Между тем концепция о том, что могут быть построены новые схемы, и прототипы мемристоров продолжает развиваться. Например, генеральный директор компании HP по технологиям Мартин Финк представил новую архитектуру массива мемристоров, она называется просто «машина». Она состоит из набора схем памяти связанных с использованием оптических волокон вместо медных проводов для подключения к высокопроизводительным процессорам.
Интерес к новым материалам также объясняется стремлением промышленности к новым технологиям, которые должны плавно сменить существующие разработки. Мемристоры могут значительно повысить эффективность использования энергии электронных компонентов, и лучше справляться с большими потоками данных, ожидаемых от Интернета и устройств связи, которые используются повсеместно как системы контроля на предприятиях в офисных зданиях или домах. Существенное значение для новых технологий в области электроники обуславливается продолжением экспоненциального роста вычислительной мощности компьютеров и проблемы хранения информации. Но старые технологии с каждым годом только дешевеют. К примеру, себестоимость кремниевого транзистора за пару десятилетий упала более чем в 40 раз. По тем же причинам, IBM объявляла, что потратит $3 млрд с целью проведения экспериментальных «пост-кремниевых» архитектур и чипов, предсказывая фундаментальную реконструкцию существующих систем в течение 10 лет.
4) Методы и подходы для производства новых материалов многогранны и часто только воображения исследователя выставляет определенные условия для работы будущего изделия.
Представьте себе возможность превратить весь наш мусор во что-нибудь полезное вроде топлива. А нет, погодите, мы уже можем сделать это. Это называется «рекуперация энергии из отходов» — процесс, который, как правило, включает производство электричества или биотоплива (метана, метанола, этанола или синтетического топлива) путем сжигания. Такие города, как Эдмонтон, уже делают это и увеличивают масштабы. В следующем году фабрика по переработке отходов Эдмонтона превратит 100 000 тонн муниципального мусора в 38 миллионов литров биотоплива за год. Более того, их затея может сократить выбросы парниковых газов более чем на 60 % по сравнению с бензином. Это в значительной мере пахнет революцией. Например, Швеция импортирует отходы из соседних европейских стран, чтобы питать ими свои энергетические каналы. Использование естественных биологических объектов в создании новых материалов или изделий также позволит существенным образом ускорить и упростить процессы переработки отходов, таких как например – полимеры, смолы или порошкообразные материалы.
Тенденцию к новым разработкам подсказывают и развивающиеся смежные дисциплины. В последнее время большую популярность набирает такое направление как когнитивные нанобиотехнологии. Обычно мы считаем киборгами тех, у кого природные органические части заменены механическими устройствами или протезами. Понятие получеловека-полумашины прочно укоренилось в нашем мышлении, но по большей части некорректно. Благодаря расцвету зарождающейся области органической электроники, более вероятно, что мы будем переделывать биологическую систему организма и вводить новые органические компоненты. Уже сегодня ученые разработали кибернетическую ткань, которая может чувствовать окружающую среду. Другие исследователи изобрели химические схемы, которые могут передавать нейротрансмиттеры вместо электрических зарядов. И как предположил Марк Ченгизи, люди будущего будут все также использовать все полномочия своего биологического строения. Но для достижения заветной мечты также потребуются новые компьютеры и устройства хранения и обработки информации, и они должны быть биологически совместимы с человеческим телом, тканью и растительной клеткой.


Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1) Полимерные композиционные материалы, содержащие углеродные включения, нанокристаллы и нанокластеры - могут стать основами для микроэлектроники нового столетия.
2) каждый существующий на современном рынке композиционный материал имеет конкретную направленность благодаря только одному свойству, улучшенному с помощью химии на этапе изготовления исходных молекул.
3) Мир полупроводниковых технологий достаточно многообразен и каждый год в нем появляются новые объекты, способные достойно показать себя при необходимом подходе к их использованию. Новый материал должен быть стабилен по свойствам, устойчив к внешнему воздействию, и обладать приемлемой ценой исходных компонентов. Из существующих композиционных материалов проявить все три указанных качества могут не все разработки. Поэтому данный класс материалов будет обязательно пополняться новыми представителями, и РФ может занять свою нишу в производстве востребованных органических полупроводников.
4) Композиционный материал, свойства которого могут изменяться в зависимости от методов синтеза, но при фиксированной матрице или количестве вводимых в органический полимер компонентов сможет найти применение в любой из ныне существующих технологических задач. Новый материал будет удовлетворять всем требованиям экологической безопасности, повысит социально-экономический уровень жизни россиян, ускорит производительность труда в ряде отраслей народного хозяйства и снизит материало - и энергоёмкость производства нового типа полимерных композиционных материалов.

Текущие результаты проекта:
Научная ценность полученных результатов определяется тем что: впервые обнаружены дополнительные пики в слоях GaN, выращенных на подложках m-и r-ориентации. Уменьшение отклонения состава GaN от стехиометрии, вызванного снижением расхода HCl через источник Ga, приводит к увеличению интенсивности основной моды и дополнительных максимумов в спектре КРС в слоях GaN, выращенных на подложках r-ориентации. Показано, что в спектрах пропускания нанокристаллов полупроводникового соединения типа AIIIBV (GaN) присутствуют серии линий, характеризующих как химическое состояние материала, так и динамику кристаллитов. В частности, в спектре пропускания в средней ИК- области четко видны линии поглощения на 670 см-1, 611 см-1, 722 см-1, 1109 см-1, 1235 см-1. Линии на 533 см-1 и 562 см-1 характеризуют колебания кристаллической решетки и отвечают оптическим поперечным фононам симметрии Г1 и Г5. Впервые получены и проанализированы спектры пропускания и комбинационного рассеяния света композиционных материалов на основе органических молекул; полимерных молекул, металлических гранул цинка и нанокристаллов типа Si-C. Проведены анализы частотных зависимостей проводимости на переменном токе на его основании построены эквивалентные схемы экспериментальных образцов композитных материалов на основе органических соединений. Анализ импеданс-характеристик методом эквивалентных схем показал, что полученные характеристики экспериментальных образцов с достаточной точностью описываются приближением параллельной R-C цепочкой. В случае эффектов переключения эквивалентная схема транспортных характеристик экспериментальных образцов композиционных материалов может быть описана схемой из трех параллельных R-C цепочек, соединенных последовательно. При этом одна из R-C цепочек будет выполнять роль переходной границы между проводящим состоянием и диэлектрическим. Показано, что химические реакции, возникающие в экспериментальных образцах композиционных материалов, могут быть описаны в рамках приближения Максвелла-Вагнера для неоднородных структур.