(PhysOrg.com) - Uma revisão crítica do status atual e perspectivas futuras de novas arquiteturas de computação baseadas em "interruptores atômicos" fabricados controlando o movimento de íons catiônicos durante reações eletroquímicas sólidas.

Uma revisão de novos tipos de nanodispositivos e computação baseada em interruptores atômicos catiônicos é apresentada a Takami Hino e seus colegas de trabalho no Centro WPI para Nanoarquitetura de Materiais do Instituto Nacional de Ciência de Materiais (NIMS) em Tsukuba, Japão. O artigo de revisão é publicado este mês na revista. Ciência e Tecnologia de Materiais Avançados .

Os pesquisadores descrevem os mecanismos fundamentais que governam a operação de interruptores atômicos nanoiônicos com exemplos detalhados de seus próprios três dispositivos terminais, e prever um futuro brilhante para a integração de interruptores atômicos com dispositivos convencionais de silício usando materiais condutores iônicos.

Interruptores atômicos mecânicos - operados pela manipulação de átomos entre uma superfície condutora e a ponta de um microscópio de tunelamento de varredura (STM) - foram relatados pela primeira vez no início de 1990. Esses interruptores mecânicos desencadearam intenso interesse no desenvolvimento de interruptores atômicos eletricamente controlados, produzido pelo movimento de íons catiônicos em reações eletroquímicas sólidas, onde a operação de interruptores atômicos catiônicos é governada pela formação de um canal condutor dentro ou sobre um condutor iônico.

Agora, o desafio para os pesquisadores neste campo é a fabricação de estruturas de dispositivos nanoiônicos que podem ser integradas com dispositivos semicondutores convencionais de óxido de metal e silício.

Em sua configuração mais simples, a operação de um interruptor atômico nanoiônico consiste na formação e desintegração de fios metálicos nanométricos por meio de uma reação eletroquímica sólida, o que leva a grandes mudanças na resistência entre os eletrodos - os estados 'ligado' e 'desligado'.

Nesta revisão, Hino e colegas descrevem o controle de íons de prata no sulfeto de prata - um condutor iônico - usando uma ponta STM para injetar elétrons para produzir saliências de prata na superfície do sulfeto de prata, e seu encolhimento aplicando uma tensão de polarização apropriada entre a ponta do STM e o eletrodo. Mais importante, a aplicação de uma polarização positiva entre uma ponta de sulfureto de prata e uma superfície de platina leva ao crescimento dos fios de prata e uma polarização negativa leva ao seu encolhimento. Este controle bipolar é importante para aplicações práticas do dispositivo.

Chaves atômicas do tipo gap são um bloco de construção fundamental para dispositivos nanoiônicos bipolares. Aqui, os pesquisadores fornecem um relato detalhado da troca bipolar usando pontas de sulfeto de prata STM e eletrodos de platina com base em seus próprios experimentos em estruturas de dispositivo de "barra transversal" com um intervalo de 1 nm entre o sulfeto de prata e a platina, com ênfase no mecanismo físico que rege a comutação de alta velocidade a 1 MHz, e a descoberta de que o tempo de comutação diminui exponencialmente com o aumento da tensão de polarização. Os autores enfatizam que o desenvolvimento de um método reproduzível para fabricar dispositivos de "barra transversal" foi um grande avanço, que permitiu a primeira demonstração de circuitos nanoiônicos, como portas lógicas.

Com vista a aplicações práticas de interruptores atômicos, os autores dão exemplos de interruptores atômicos avançados, incluindo dispositivos do tipo gapless que consistem em metal / condutor iônico / estruturas de metal, onde um dos metais é eletroquimicamente ativo e o outro inerte. Notavelmente, relatórios recentes sobre o uso de óxidos de metal como condutores iônicos adicionaram um impulso adicional para a comercialização de dispositivos.

Notavelmente, interruptores atômicos sem intervalos também agem como os chamados "memristores" (resistores de memória) - dois dispositivos de memória de múltiplos estados terminais passivos - onde o tamanho da protrusão do nanofio governa as características de operação.

Outras chaves atômicas avançadas incluem:três dispositivos terminais, como estruturas com um eletrólito de sulfureto de cobre sólido, onde a formação de uma ponte de cobre entre um eletrodo de fonte de platina e eletrodo de dreno de cobre é controlada por um eletrodo de porta de cobre; e interruptores atômicos fotoassistidos, que não requerem nanogaps, e as protrusões de nanofios crescem por irradiação óptica de um material fotocondutor localizado entre o ânion e o eletrodo condutor de elétrons e um contra-eletrodo de metal. Curiosamente, uma vez que o interruptor é "ligado" quando a protrusão de metal em crescimento atinge o contra-eletrodo, e a saliência não cresce no escuro, a chave atômica fotoassistida se comporta como uma chave programável que pode ser usada na memória somente leitura programável apagável (EPROM).

Os autores também descrevem as "habilidades de aprendizagem" de interruptores atômicos capazes de memórias de curto e longo prazo em dispositivos nanoiônicos únicos; interruptores bipolares não voláteis; duas portas lógicas de comutação atômica terminal; e matrizes de portas programáveis ​​em campo integradas com dispositivos CMOS.

Esta revisão contém 77 referências e 20 figuras e fornece uma fonte inestimável de informações atualizadas para recém-chegados e especialistas nesta área de pesquisa emocionante.