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纳米复合GSTO-LSMO合金可控制备及存储器件突触行为
作者: irglass 时间: 2020-12-09 浏览:419 次

     近日,我室相变研究团队的研究论文 “Phase and grain size engineering in Ge-Sb-Te-O by alloying with La-Sr-Mn-O towards improved material properties”,在国际著名期刊Materials & Design 199 (2021) 109392, https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.109392上发表(中科院SCI期刊分区( 2020年01月最新升级版)大小类均为1区)。论文第一作者为硕士生Nikolas Kraft,论文第一通讯作者为我室青年教师王国祥副研究员,第二通讯作者为德国莱布尼茨表面改性研究所Andriy Lotnyk教授。这是自2018年双方实现互访合作以后发表的第七篇高级别水平论文。

       近年来,数字化、智能化时代的到来对计算任务的复杂性和应用场景的多变性提出了更高的要求——云量吞吐、阿秒计算、无限逼近零功耗。但是,现有计算机一直局限于1946年冯•诺依曼提出的存储与运算单元分离的架构体系,数据在单元间频繁传输调度浪费了大量时间和功率,已无法满足现代电子设备朝着智能化、轻量化、便携化方向快速发展的迫切要求。基于相变存储器的突触器件不仅可通过交叉阵列结构实现高密度集成,而且还具有擦/写速度更快(50 ns/10 ns)、循环寿命更长(大于1012)、精度更高、耐久度更好等优点,因而在类脑计算实现“存算一体化”中备受青睐。

       本工作报道了用于存储突触器件的相变薄膜Ge-Sb-Te-O(GSTO)及其与La-Sr-Mn-O(LSMO)薄膜合金化的过程。将非晶薄膜经热处理至不同温度时薄膜显示出明显的结晶行为。总的趋势是,随着LSMO含量的增加,GSTO微晶的尺寸减小,并且稳定的三角GSTO相的形成受到抑制。透射电子显微镜的显微结构如图1研究表明,亚稳态GSTO纳米晶体的形成分散在无定形基质中。

Figure 1. (a)-(b) Bright-field TEM images of GSTO thin film crystallized at a temperature of 350°C. (c) and (d) Bright-field TEM micrographs of GSTO-LSMO (8W) and GSTO-LSMO (21W) composite thin films crystallized at a temperature of 350°C. Upper inserts in (b)-(d) show SAED patterns while lower inserts in (c) and (d) are high-resolution HAADF-STEM and TEM images, respectively. The white arrows in (c) show grain boundaries between c- and t-GSTO as well as the indicate (0001) planes of t-GSTO.

       通过X射线光谱对局部化学键的分析表明GSTO-LSMO复合材料中存在不同的氧化物。此外,具有高LSMO含量的复合材料在非晶相和结晶相中显示出更高的结晶温度和显着更大的薄层电阻,而由GSTO-LSMO合金制成的存储器件显示出双极开关和突触行为如图2。

Figure 2(a) Sheet resistance measurements of GSTO and GSTO-LSMO composite thin films. The sheet resistance decreases significantly upon the transition from the amorphous to the crystalline phase. Addition of LSMO results in a pronounced increase of transition temperature. (b) I-V curves for GSTO-LSMO(21W) based ECM cell under bipolar resistive switching using different voltages. The cell is shown in the inset. (c) Endurance measurements of the ECM device with -/+1 V DC cycles and read voltage of 0.1 V. (d) I-t and V-t curves showing the gradual increase and decrease of current with time.

       此外,GSTO-LSMO薄膜中LSMO的含量多少直接影响其光学性能和带隙。总的来说,这项工作的结果显示了GSTO-LSMO纳米复合材料在数据存储和可重构光子应用以及类脑神经计算方面的巨大潜力。

       该研究工作得到了国家自然科学基金面上项目(62074089)、浙江省自然科学基金(LY20F040002)、宁波市自然科学基金(2019A610059)、省属高校基本科研业务费项目(SJLY2021013)、宁波大学王宽诚幸福基金等项目的大力支持。