Cientistas de todo o mundo estão trabalhando intensamente em dispositivos memristivos que consomem energia extremamente baixa e se comportam de forma semelhante aos neurônios no cérebro. Pesquisadores da Jülich Aachen Research Alliance (JARA) e do grupo de tecnologia alemão Heraeus relatam agora o controle sistemático do comportamento funcional desses elementos. As menores diferenças na composição do material acabaram sendo cruciais, tão pequeno que até agora, os especialistas não os notaram. As instruções de design dos pesquisadores podem ajudar a aumentar a variedade, eficiência, seletividade e confiabilidade para aplicações baseadas em tecnologia memristive, por exemplo, energia eficiente, dispositivos de armazenamento não voláteis ou computadores neuro-inspirados.

A empresa japonesa NEC instalou os primeiros protótipos memresistive em satélites espaciais em 2017. Muitas outras empresas líderes, como a Hewlett Packard, Intel, A IBM e a Samsung estão trabalhando para trazer ao mercado tipos inovadores de computadores e dispositivos de armazenamento baseados em elementos memristivos.

Fundamentalmente, memristores são simplesmente "resistores com memória, "em que alta resistência pode ser alternada para baixa resistência e vice-versa. Isso significa, em princípio, que os dispositivos são adaptativos, semelhante a uma sinapse em um sistema nervoso biológico. "Os elementos memristivos são considerados candidatos ideais para computadores inspirados em neurônios modelados no cérebro, que estão atraindo muito interesse em relação ao aprendizado profundo e inteligência artificial, "diz a Dra. Ilia Valov do Instituto Peter Grünberg (PGI-7) em Forschungszentrum Jülich.

Na última edição do jornal de acesso aberto Avanços da Ciência, ele e sua equipe descrevem como a comutação e o comportamento neuromórfico de elementos memristivos podem ser controlados seletivamente. De acordo com suas descobertas, o fator crucial é a pureza da camada de óxido de comutação. "Dependendo se você usa um material que é 99,999999% puro, e se você introduz um átomo estranho em 10 milhões de átomos de material puro, ou em 100 átomos, as propriedades dos elementos memristivos variam substancialmente, "diz Valov.

Este efeito foi até agora negligenciado pelos especialistas. Pode ser usado muito especificamente para projetar sistemas memristivos, de forma semelhante aos semicondutores de dopagem na tecnologia da informação. "A introdução de átomos estranhos nos permite controlar a solubilidade e as propriedades de transporte das camadas finas de óxido, "explica o Dr. Christian Neumann do grupo de tecnologia Heraeus. Ele tem contribuído com sua experiência em materiais para o projeto desde que a ideia inicial foi concebida em 2015.

"Nos últimos anos, houve um progresso notável no desenvolvimento e uso de dispositivos memristivos, no entanto, esse progresso foi muitas vezes alcançado em uma base puramente empírica, "de acordo com Valov. Usando as percepções que sua equipe obteve, os fabricantes agora podem desenvolver metodicamente elementos memristivos, selecionando as funções de que precisam. Quanto maior a concentração de doping, quanto mais lenta a resistência dos elementos muda conforme o número de pulsos de voltagem de entrada aumenta e diminui, e quanto mais estável a resistência permanece. "Isso significa que encontramos uma maneira de projetar tipos de sinapses artificiais com excitabilidade diferente, "diz Valov.

Especificação de design para sinapses artificiais

A capacidade do cérebro de aprender e reter informações pode ser amplamente atribuída ao fato de que as conexões entre os neurônios são fortalecidas quando são usados ​​com frequência. Dispositivos memristivos, dos quais existem diferentes tipos, como células de metalização eletroquímica (ECMs) ou células de memória de mudança de valência (VCMs), se comporte de forma semelhante. Quando esses componentes são usados, a condutividade aumenta à medida que o número de pulsos de voltagem de entrada aumenta. As mudanças também podem ser revertidas aplicando pulsos de tensão de polaridade oposta.

Os pesquisadores do JARA conduziram seus experimentos sistemáticos em ECMs, que consistem em um eletrodo de cobre, um eletrodo de platina e uma camada de dióxido de silício entre eles. Graças à cooperação com os pesquisadores da Heraeus, os cientistas do JARA tiveram acesso a diferentes tipos de dióxido de silício:um com pureza de 99,999999% - também chamado de dióxido de silício 8N - e outros contendo 100 a 10, 000 ppm (partes por milhão) de átomos estranhos. O vidro dopado com precisão usado em seus experimentos foi especialmente desenvolvido e fabricado pela especialista em vidro de quartzo Heraeus Conamic, que também detém a patente do procedimento. Cobre e prótons agiam como agentes dopantes móveis, enquanto o alumínio e o gálio foram usados ​​como dopagem não volátil.

O tempo de comutação do registro confirma a teoria

Com base em sua série de experimentos, os pesquisadores foram capazes de mostrar que os tempos de troca de ECM mudam conforme a quantidade de átomos de dopagem muda. Se a camada de comutação for feita de dióxido de silício 8N, o componente memristive muda em apenas 1,4 nanossegundos. A data, o valor mais rápido já medido para ECMs foi em torno de 10 nanossegundos. Ao dopar a camada de óxido dos componentes com até 10, 000 ppm de átomos estranhos, o tempo de comutação foi prolongado na faixa de milissegundos.

“Também podemos explicar teoricamente os nossos resultados. Isso está nos ajudando a entender os processos físico-químicos em nanoescala e aplicar esse conhecimento na prática, "diz Valov. Com base em considerações teóricas geralmente aplicáveis ​​e apoiadas por resultados experimentais, ele está convencido de que o efeito dopagem / impureza ocorre e pode ser empregado em todos os tipos de elementos memristivos.