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Jun 09, 2023

npj 2D Materials and Applications volume 5, Artigo número: 1 (2021) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Os memristores de última geração são formados principalmente por estrutura vertical metal-isolante-metal (MIM), que depende da formação de filamentos condutores para comutação resistiva (RS). No entanto, devido à formação estocástica do filamento, a tensão de ajuste/reset dos memristores MIM verticais é difícil de controlar, o que resulta em baixa uniformidade de comutação temporal e espacial. Aqui, é realizado um memristor lateral de dois terminais baseado em dissulfeto de rênio irradiado por feixe de elétrons (ReS2), que revela um mecanismo de comutação resistivo baseado na modulação da altura da barreira Schottky (SBH). Os dispositivos exibem uma característica RS gradual estável e livre de formação e, simultaneamente, alcançam uma pequena variação de tensão de transição durante varreduras positivas e negativas (6,3%/5,3%). O RS é atribuído ao movimento das vacâncias de enxofre induzidas pela polarização de tensão no dispositivo, que modula o SBH ReS2/metal. A modulação SBH gradual estabiliza a variação temporal em contraste com o RS abrupto em memristores baseados em MIM. Além disso, a emulação da plasticidade sináptica de longo prazo de sinapses biológicas é demonstrada usando o dispositivo, manifestando seu potencial como sinapse artificial para aplicações de computação neuromórfica com eficiência energética.

Os memristores foram investigados extensivamente e são considerados um dos candidatos a sinapses artificiais para a computação neuromórfica . Dentre esses memristores, os mecanismos de comutação baseiam-se principalmente na formação de filamentos condutores nas camadas isolantes, como o mecanismo de mudança de valência (VCM) e a metalização eletroquímica (ECM) . Para dispositivos baseados em VCM, a mudança de condutância é induzida pela migração de ânions vagos, como vacâncias de oxigênio8,9,10,11. Porém, devido à distribuição aleatória de ânions vagos no isolador, a formação do filamento de ânions é um processo estocástico . A comutação resistiva (RS) dos dispositivos ECM é causada pelo movimento e metalização de cátions metálicos de eletrodo ativo, como Ag + (refs. 14,15,16). No entanto, tais cátions metálicos altamente móveis são difíceis de controlar durante as etapas de eletroformação devido à estocasticidade do caminho de migração desses cátions . Como tal, tanto para dispositivos baseados em VCM como em ECM, a variação temporal (ciclo a ciclo) é inevitável devido à formação aleatória e à ruptura dos filamentos condutores. Para superar esse problema, Choi et al. demonstraram uma memória de acesso aleatório epitaxial (epiRAM) baseada em SiGe18 monocristalino. O epiRAM alcançou uma pequena variação de tensão definida devido ao confinamento dos filamentos Ag e ao controle preciso da densidade de deslocamento. Porém, o dispositivo ainda não consegue evitar a variação temporal durante a erradicação do filamento. Assim, a busca por um mecanismo de comutação não filamentar é essencial para controlar a variação ciclo a ciclo. Além disso, a temperatura de crescimento da epitaxia por feixe molecular elevado (MBE) não é adequada para a integração de tal epiRAM com a tecnologia complementar de semicondutores de óxido metálico (CMOS) . Em termos de compatibilidade back-end-of-line (BEOL), os materiais bidimensionais (2D) surgem como escolhas alternativas devido ao desenvolvimento do crescimento de material 2D em baixa temperatura por deposição química de vapor (CVD) e material 2D em grande escala. transferir tecnologia19,20,21,22,23.

Muitos memristores verticais baseados em materiais 2D e seus derivados foram demonstrados. Algumas dessas camadas de comutação são feitas de materiais 2D puros (por exemplo, MoS2, hBN, WSe2) e os mecanismos de comutação são baseados em defeitos nativos dos materiais (por exemplo, vacâncias de enxofre e vacâncias de boro) e na formação de filamentos metálicos ativos (por exemplo, Ag, Ti e Cu)24,25,26,27. Tanto a plasticidade sináptica de curto quanto de longo prazo foram emuladas nesses dispositivos24,25. Além disso, memristores verticais baseados em derivados de material 2D (por exemplo, MoOx / MoS2, WOx / WSe2) são relatados com baixa tensão de comutação devido à fina espessura da camada de oxidação . Esses memristores verticais são adequados para escalonamento de dispositivos para permitir integração de array de alta densidade . Além disso, comparados aos memristores laterais, os memristores verticais apresentam tensão de ajuste menor devido a uma camada de comutação mais fina . No entanto, a sua estrutura de dois terminais não é adequada para emulação de biossinapses multiterminais. Comparados aos memristores verticais, os memristores laterais são mais versáteis para realizar memristores multiterminais, adicionando mais eletrodos . Recentemente, são relatados dispositivos memristivos laterais baseados em MoS2, que dependiam do movimento de vacância de enxofre induzido por polarização de tensão e da modulação da altura da barreira Schottky (SBH) nas regiões de contato metal / MoS2 . Tal esquema de comutação distingue estes memristores dos memristores filamentares e pode reduzir a variação causada pelo processo estocástico de formação de filamentos. Além disso, a busca por novos materiais que sejam mais fáceis de criar vagas de enxofre pode melhorar o desempenho da comutação. O dissulfeto de rênio (ReS2), um tipo de material 2D com acoplamento fraco entre camadas, ligações covalentes Re-S suaves e baixa energia de formação de vacância de enxofre, pode experimentar um movimento de vacância de enxofre mais óbvio quando sujeito a polarização externa .