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Jun 09, 2023

npj Materiali e applicazioni 2D volume 5, Numero articolo: 1 (2021) Citare questo articolo

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I memristor all'avanguardia sono formati principalmente da una struttura verticale metallo-isolante-metallo (MIM), che si basa sulla formazione di filamenti conduttivi per la commutazione resistiva (RS). Tuttavia, a causa della formazione stocastica del filamento, la tensione di impostazione/reimpostazione dei memristor MIM verticali è difficile da controllare, il che si traduce in una scarsa uniformità di commutazione temporale e spaziale. Qui viene realizzato un memristor laterale a due terminali basato sul disolfuro di renio irradiato con fascio di elettroni (ReS2), che svela un meccanismo di commutazione resistivo basato sulla modulazione dell'altezza della barriera Schottky (SBH). I dispositivi presentano una caratteristica RS graduale stabile e priva di formazioni e contemporaneamente raggiungono una piccola variazione della tensione di transizione durante le scansioni positive e negative (6,3%/5,3%). La RS è attribuita al movimento dei posti vacanti di zolfo indotti dalla polarizzazione della tensione nel dispositivo, che modula l'SBH ReS2/metallo. La graduale modulazione SBH stabilizza la variazione temporale in contrasto con la brusca RS nei memristor basati su MIM. Inoltre, utilizzando il dispositivo viene dimostrata l’emulazione della plasticità sinaptica a lungo termine delle sinapsi biologiche, manifestando il suo potenziale come sinapsi artificiale per applicazioni di calcolo neuromorfico ad alta efficienza energetica.

I memristor sono stati studiati approfonditamente e sono considerati uno dei candidati alla sinapsi artificiale per il calcolo neuromorfico1,2,3,4,5,6. Tra questi memristor, i meccanismi di commutazione si basano principalmente sulla formazione di filamenti conduttivi negli strati isolanti, come il meccanismo di cambiamento di valenza (VCM) e la metallizzazione elettrochimica (ECM)7. Per i dispositivi basati su VCM, la variazione di conduttanza è indotta dalla migrazione degli anioni vacanti, come i posti vacanti di ossigeno8,9,10,11. Tuttavia, a causa della distribuzione casuale degli anioni vacanti nell'isolante, la formazione del filamento anionico è un processo stocastico7,12,13. La commutazione resistiva (RS) dei dispositivi ECM è causata dal movimento e dalla metallizzazione dei cationi metallici dell'elettrodo attivo, come Ag+ (rif. 14,15,16). Tuttavia, tali cationi metallici altamente mobili sono difficili da controllare durante le fasi di elettroformatura a causa della stocasticità del percorso di migrazione di questi cationi7,13,17. Pertanto, sia per i dispositivi basati su VCM che su ECM, la variazione temporale (da ciclo a ciclo) è inevitabile a causa della formazione casuale e della rottura dei filamenti conduttivi. Per superare questo problema, Choi et al. ha dimostrato una memoria epitassiale ad accesso casuale (epiRAM) basata su SiGe18 monocristallino. L'epiRAM ha ottenuto una piccola variazione di tensione impostata grazie al confinamento dei filamenti di Ag e al controllo accurato della densità di dislocazione. Tuttavia, il dispositivo non è ancora in grado di evitare la variazione temporale durante l'eradicazione del filamento. Pertanto, la ricerca di un meccanismo di commutazione non filamentoso è essenziale per controllare la variazione da ciclo a ciclo. Inoltre, la temperatura di crescita dell'epitassia a fascio molecolare elevato (MBE) non è adatta per l'integrazione di tale epiRAM con la tecnologia dei semiconduttori a ossido di metallo complementare (CMOS)14. In termini di compatibilità back-end-of-line (BEOL), i materiali bidimensionali (2D) emergono come scelte alternative grazie allo sviluppo della crescita del materiale 2D a bassa temperatura mediante deposizione chimica da fase vapore (CVD) e del materiale 2D su larga scala tecnologia di trasferimento19,20,21,22,23.

Sono stati dimostrati molti memristor verticali basati su materiali 2D e loro derivati. Alcuni di questi strati di commutazione sono costituiti da materiali 2D puri (ad esempio MoS2, hBN, WSe2) e i meccanismi di commutazione si basano su difetti nativi nei materiali (ad esempio posti vacanti di zolfo e posti vacanti di boro) e sulla formazione di filamenti metallici attivi (ad esempio Ag, Ti e Cu)24,25,26,27. In questi dispositivi è stata emulata la plasticità sinaptica sia a breve che a lungo termine24,25. Inoltre, i memristor verticali basati su derivati ​​di materiali 2D (ad esempio MoOx/MoS2, WOx/WSe2) sono riportati con una bassa tensione di commutazione a causa del sottile spessore dello strato di ossidazione28,29. Tali memristor verticali sono adatti per il ridimensionamento dei dispositivi per consentire l'integrazione di array ad alta densità30,31. Inoltre, rispetto ai memristor laterali, i memristor verticali mostrano una tensione impostata più piccola a causa di uno strato di commutazione più sottile2,15,28. Tuttavia, la loro struttura a due terminali non è adatta per l'emulazione di biosinapsi multiterminale. Rispetto ai memristor verticali, i memristor laterali sono più versatili per realizzare memristor multi-terminale aggiungendo più elettrodi32,33. Recentemente, sono stati segnalati dispositivi memristivi laterali basati su MoS2, che si basavano sul movimento dei posti vacanti di zolfo indotto dalla polarizzazione della tensione e sulla modulazione dell'altezza della barriera Schottky (SBH) nelle regioni di contatto metallo/MoS232,34,35. Tale schema di commutazione distingue questi memristori dai memristori filamentosi e può ridurre la variazione causata dal processo di formazione stocastica dei filamenti. Inoltre, la ricerca di nuovi materiali che siano più facili da creare posti vacanti di zolfo può migliorare le prestazioni di commutazione. Il disolfuro di renio (ReS2), un tipo di materiale 2D con debole accoppiamento interstrato, legami covalenti morbidi Re-S e bassa energia di formazione di posti vacanti di zolfo, può subire un movimento di posti vacanti di zolfo più evidente se sottoposto a bias esterno36,37,38.