Мемристивное устройство обработки электронной информации на основе одиночного кристалла металлорганического каркаса Российский патент 2025 года по МПК H10B63/00 B82Y10/00 

Область техники

Изобретение относится к области микроэлектроники, в частности к оптоэлектронным продуктам и способам хранения данных, а также к способам записи данных с низким потреблением энергии на устройства обработки данных, а также к области применения новых материалов (металлорганических каркасов) для создания таких продуктов.

Уровень техники

Комбинация органо-неорганической природы, пористости и слабых координационных взаимодействий определяет новую функциональность металлорганических материалов: под влиянием электрического и электромагнитного полей металлорганические каркасы (МОК) демонстрируют обратимые изменения в их проводимости и оптических свойствах, которые позволяют реализовать процесс записи и хранения данных. Мемристор «запоминает» количество прошедшего через него заряда и сохраняет эту информацию в виде своего сопротивления. Эти свойства в свою очередь открывают возможность создания на его основе ячеек долговременной энергонезависимой памяти. В таких системах слои кристаллов МОК могут представлять собой элементы (ячейки) резистивной памяти в мемристивных устройствах, поскольку будут проявлять мемристивное поведение - нелинейное изменение вольтамперной характеристики материала при напряжении переключения, причем в случае МОК изменение свойства проводимости является обратимым, что позволяет многократно считывать, стирать и перезаписывать данные. Эти свойства обусловлены ионным транспортом внутри кристалла МОК. Наблюдаемые явления в решающей степени зависят от субнанометровых размеров пор в МОК, что позволяет диффундировать ионам от одного электрода до другого под воздействием электрического поля с меньшими его значениями по сравнению с классическими мемристивными устройствами на основе различных оксидов. Используя преимущества периодической и пористой структуры МОК для переноса ионов, мы выделили МОК UiO-66 с электрохимическими свойствами, которые отличают его от твердых или жидких аналогов. Таким образом эти двухтерминальные устройства обладают гистерезисом, отражающим его мемристивное поведение, при этом даже после снятия приложенного напряжения сформированный проводящий канал остается стабильным, что обуславливает энергонезависимость устройства записи информации на его основе. Ранее некоторые виды МОК были протестированы на наличие мемристивного поведения.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению и выбранным в качестве прототипа является потенциальная ячейка резистивной памяти на базе МОК, описанная в работе ученых их Шэньчжэньского университета. Устройство RRAM на основе 2D нанолистов Zn-TCPP демонстрирует поведение биполярного переключения без процесса электроформования. В качестве активного элемента авторы указывают МОК на основе Zn и TCPP с высоким количеством циклов. [Guanglong Ding et al. 2D Metal-Organic Framework Nanosheets with Time-Dependent and Multilevel Memristive Switching. - Advanced functional materials. - 2018. - doi:10.1002/adfm.201806637]. Несмотря на высокую цикличность, недостатком этого решения является относительно невысокая энергоэффективность с учетом толщины активного слоя (35 нм), следовательно, напряженность электрического поля при реализованном соотношении 0,5 В / 35 нм, равным 0,014 В/нм, что на порядок ниже, чем в заявляемом изобретении. Также отметим, что процессы формирования МОК в форме тонких плёнок является несовершенным для их применения в области мемристивных устройств. Причиной тому служит сильная флуктуация по толщине на больших площадях, также высокое значение шероховатости поверхности. Для хорошей воспроизводимости параметров работы устройств использование одиночных монокристаллов является преимуществом. В литературе и известных источниках ранее не был представлен факт использования одиночных монокристаллов МОК в качестве активных материалов в мемристивных устройствах, хотя данная форма материала является полезной для решения узкого круга задач, в том числе создания миниатюрных оптико-электронных схем.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание первого мемристивного устройства на основе одиночного монокристалла МОК UiO-66, который будет показывать мемристивное поведение на более чем нескольких циклах записи/перезаписи информации при подаче установочного напряжения.

Данная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в получении мемристивного устройства с активным материалов в качестве одиночного монокристалла МОК UiO-66 со следующими техническими признаками: показателями напряжения переключения 13 В при толщине активной области 10 мкм, что соответствует напряженности электрического поля 15 кВ/см⁻¹, 7 циклов записи/перезаписи информации, характеристика фотолюминесценции - центральная длина волны 500 нм и спектральная ширина 150 нм.

Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что мемристивное устройство обработки электронной информации на основе одиночного кристалла металлорганического каркаса содержит стеклянную подложку с осажденным слоем Au толщиной 100 нм, разделённым методам лазерной абляции для формирования несвязанных двух контактных областей, монокристалл металлорганического каркаса в качестве активного материала, полученные методом сольвотермального синтеза и отличается тем, что активный материал представлен в виде одиночного монокристалла металлорганического каркаса UiO-66 со способностью к фотолюминесценции на центральной длине волны 500 нм с шириной спектральной линии 150 нм. Применение мемристивного устройства на базе монокристаллов металлорганического каркаса UiO-66 для использования в составе нано- и микрофотонных схем микроэлектронных процессоров.

Значение установочного напряжения определяет энергоэффективность устройства, однако стоит учитывать факт влияния внешних помех, что определяет оптимальный минимальный предел, который определяется задачей. Значение, полученные в заявляемом изобретении является универсальным по причине высокого отличия установочного напряжения от уровня общего шума. Однако для дальнейшей оптимизации установочного напряжения может быть изменен размер зазора между золотыми контактами подбирая оптимальные параметры лазера в моменте процесса абляции исходной металлической подложки.

Этот технический результат достигается тем, что МОК UiO-66 является диэлектриком и при увеличении направляемого напряжения достигает напряжения-переключения (13 В), что позволяет зафиксировать скачкообразное увеличение проводимости.

Сочетание современного представления механизма переключения с полученными картами распределения химических линий в одиночном монокристалле UiO-66 показывает применимость для эффекта обратимого мемристивного переключения.

Наличие достаточно высокой концентрации дефектов в структуре одиночного кристалла МОК UiO-66, что подтверждено картой распределения отношения интенсивностей линий комбинационного рассеяния определённых химических связей, показанное на фигурах (6-8), в том числе позволяет достичь технического результата - эффективного обратимого переключения. Данный факт основывается на том, что точечные дефекты в структуре одиночного кристалла могут снижать установочное напряжение по причине энергетического захвата диффундирующих ионов сквозь структуру кристалла.

Ток, проходящий через кристалл, анализировали мультиметром Keithley 2700, а приложенное напряжение от источника питания Element 305 dB изменялось от минус 15 до плюс 15 В (что соответствует 15 кВ см^-1 напряженности электрического поля), и от минус 25 до плюс 25 В (что соответствует 25 кВ см^-1 напряженности электрического поля) для циклического (фиг. 5). В обоих случаях шаг по напряжению был установлен на уровне 1 В при времени регистрации 0,5 с.

Кристалл UiO-66 при воздействии 0-13 В ведет себя как диэлектрик, что выражается в постоянном уровне тока 0,1 нА (меньше чувствительности осциллографа). Однако при подаче напряжения 13 В ток резко достигает значения 0,24 мкА (установившийся режим). Снижение приложенного напряжения до 0 В описывается гистерезисом, что подтверждает поведение как в мемристивных системах. Изменение полярности прикладываемого напряжения позволяет вернуть кристалл в исходное состояние UiO-66 на 13 В.

На фигурах представлены данные о характеризации металлорганического каркаса по данному изобретению и данные, отражающие наличие мемристивного поведения и фотолюминесценции образца, где на:

фиг. 1: показана дифрактограмма для кристаллов UiO-66;

фиг. 2: показано оптическое изображение мемристивного устройства на основе одиночного кристалла МОК UiO-66;

фиг. 3: показана электронная схема измерения мемристивного поведения;

фиг. 4: показан график вольт-амперной характеристики мемристивного устройства на основе одиночного кристалла МОК UiO-66;

фиг. 5: показан график вольт-амперных характеристик при последовательном повторении измерений (от фиолетового цвета к голубому);

фиг. 6: показаны графики спектроскопии комбинационного рассеяния одиночного кристалла UiO-66;

фиг. 7: показано картирование отношения интенсивностей линии связи на 1430 см^-1 к линии связи на 70 см¹;

фиг. 8: показано картирование отношения интенсивностей линии связи на 1600 см^-1 к линии связи на 70 см¹.

Раскрытие сущности изобретения

Мемристивное устройство обработки электронной информации, содержащее стеклянную подложку с осажденным слоем Au толщиной 100 нм, разделённым методом лазерной абляции для формирования несвязанных двух контактных областей, монокристалл металлорганического каркаса в качестве активного материала, полученные методом сольвотермального синтеза, отличающиеся тем, что активный материал, лежащий в основе изобретения, в виде одиночного монокристалла металлорганического каркаса UiO-66 обладает способностью к фотолюминесценции на центральной длине волны 500 нм с шириной спектральной линии 150 нм, что обуславливает его использование в составе нано- и микрофотонных схем микроэлектронных процессоров.

Этап 1. Синтез МОК

UiO-66 синтезируют сольвотермальным способом, в частности, ZrOCl₂*8H₂O (12 мг, 0,037 моль) и 1,4-бензендикарбоновая кислота (4,98 мг, 0,03 моль) растворяют в 2 мл N,N-диэтилформамида и 2 мл муравьиной кислоты. Затем раствор помещают в 20 мл флакон и герметично закрывают, чтобы исключить взаимодействие с внешней средой и создание избыточного давления в сосуде. Раствор нагревают при 135°C в течение 48 ч.

Этап 2. Подготовка кристаллов

Полученные кристаллы отделяют фильтрованием и многократным промыванием N,N-диметилформамидом и EtOH. Порошок кристаллов UiO-66 сушат при 60°C в течение 4 ч. В результате получаем кристаллы UiO-66 (C₄₈H₂₈O₃₂Zr₆) размером 15-20 мкм, химическая структура которых подтверждена результатами рентгеноструктурного анализа (PXRD - фиг. 1), спектроскопией комбинационного рассеяния (фиг. 6).

Этап 3. Изготовление устройства

В процессе лазерной абляции предварительно формируют зазор между золотыми контактами, который определяет активную область материала размером 10 мкм, на которую помещают монокристаллы UiO-66 (фиг. 2).

Этап 4. Проверка мемристорного поведения (Запись информации)

Изготовленное устройство подключают в измерительную схему последовательно с электрической цепью (фиг. 3) включающую в себя шунтирующим сопротивлением (10 кОм). Значение прикладываемого напряжения автоматически увеличивалось с шагом 0,1 В до установочного, после чего происходило скачкообразное изменение проводимости системы, выражающееся в нелинейном увеличении тока. При изменении полярности прикладываемого напряжения происходил возврат в исходное состояние при достижении установочного значения (фиг. 4).

Этап 5. Изучение стабильности переключения

Для изучения стабильности работы мемристивного устройства повторяли измерение циклических вольт-амперных характеристик последовательно до сохранения способности к переключению структуры. Таким образом, результаты показывают сохранение способности записи/перезаписи информации на протяжении не менее 7 циклов (фиг. 5).

Таким образом, преодолена проблема создания первого мемристивного устройства на основе одиночного монокристалла МОК UiO-66, который будет показывать мемристивное поведение на более чем нескольких циклах записи/перезаписи информации при подаче установочного напряжения.

Изобретение относится к микроэлектронике. Мемристивное устройство обработки электронной информации содержит стеклянную подложку, покрытую слоем Au толщиной 100 нм, монокристаллы UiO-66 в качестве активного материала, полученные методом сольвотермального синтеза и расположенные на стеклянной подложке между двух золотых электродов. Изобретение обеспечивает повышение отношения величин токов в открытом и закрытом состояниях (I/I) с достижением 4-6 порядков. 2 н.п. ф-лы, 8 ил.

1. Мемристивное устройство обработки электронной информации, содержащее стеклянную подложку с осажденным слоем Au толщиной 100 нм, разделённым методом лазерной абляции для формирования несвязанных двух контактных областей, монокристалл металлорганического каркаса в качестве активного материала, полученный методом сольвотермального синтеза, отличающееся тем, что активный материал представлен в виде одиночного монокристалла металлорганического каркаса UiO-66 со способностью к фотолюминесценции на центральной длине волны 500 нм с шириной спектральной линии 150 нм.

2. Применение мемристивного устройства на базе монокристаллов металлорганического каркаса UiO-66 для использования в составе нано- и микрофотонных схем микроэлектронных процессоров.