La separación de fases, cuando las moléculas se separan como el aceite y el agua, funciona con la difusión del oxígeno para ayudar a que los recuerdos (componentes eléctricos que almacenan información mediante resistencia eléctrica) también retengan información después de que se apaga la energía, según un estudio publicado recientemente. liderado por la Universidad de Michigan el asunto.
Hasta este punto, las explicaciones no han comprendido completamente cómo los mnemotécnicos retienen información sin una fuente de energía, llamada memoria no volátil, porque los modelos y experimentos no coinciden.
“Si bien los experimentos han demostrado que los dispositivos pueden retener información durante más de 10 años, los modelos utilizados en la comunidad muestran que la información sólo se puede conservar durante unas pocas horas”, dijo Jingxian Li, doctorado en Ciencia e Ingeniería de Materiales de la UM y primer autor. estudiar
Para comprender mejor el fenómeno fundamental que impulsa la memoria de memristor no volátil, los investigadores se centraron en un dispositivo llamado memoria resistiva de acceso aleatorio, o RRAM, una alternativa a la RAM volátil utilizada en la informática clásica y es particularmente prometedora para aplicaciones de inteligencia artificial energéticamente eficientes. .
La RRAM específica estudiada, una memoria de cambio de valencia (VCM) de tipo filamento, intercala una capa aislante de óxido de tantalio entre dos electrodos de platino. Cuando se aplica un determinado voltaje a los electrodos de platino, un filamento conductor forma un puente de iones de tantalio desde el aislante hasta el electrodo, lo que permite que la electricidad fluya, manteniendo la celda en un estado de baja resistencia, que en código binario es “1” representa. Si se aplica un voltaje diferente, el filamento se disuelve a medida que los átomos de oxígeno que regresan reaccionan con los iones de tantalio, “oxidando” el puente conductor y produciendo un alto, que representa el código binario de “0”.
Alguna vez se pensó que RRAM retiene información a lo largo del tiempo porque el oxígeno es demasiado lento para difundirse. Sin embargo, una serie de experimentos revelaron que los modelos anteriores descuidaban el papel de la separación de fases.
“En estos dispositivos, los iones de oxígeno prefieren mantenerse alejados del filamento y nunca volverán a difundirse, incluso después de un período de tiempo indefinido. Este proceso es análogo a cómo una mezcla de agua y aceite no se mezcla, no importa cuánto usemos. ¿Por qué no esperar, porque tienen menor energía en el estado mixto”, dijo Yang Li, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales de la UM y autor principal del estudio.
Para probar el tiempo de retención, los investigadores aceleraron los experimentos aumentando la temperatura. Una hora a 250°C equivale a unos 100 años a 85°C, la temperatura típica de un chip de computadora.
Utilizando imágenes de ultra alta resolución de microscopía de fuerza atómica, los investigadores tomaron imágenes de filamentos, de sólo cinco nanómetros o 20 átomos de ancho, formándose dentro de un dispositivo RRAM de micras de ancho.
“Nos sorprendió poder encontrar filamentos en este dispositivo”, dijo Lee.
El equipo de investigación descubrió que las fibras de diferentes tamaños lograban un comportamiento de retención diferente. Los filamentos de menos de 5 nanómetros se disolvieron con el tiempo, mientras que los filamentos de más de 5 nanómetros se fortalecieron con el tiempo. Las diferencias basadas en el tamaño no pueden explicarse únicamente por la difusión.
En conjunto, los resultados experimentales y los modelos que incorporan principios termodinámicos demostraron que la formación y estabilidad de los filamentos conductores dependen de la separación de fases.
El equipo de investigación aprovechó la separación de fases para extender la retención de la memoria de un día a 10 años en un chip de memoria de lectura dura: se creó un dispositivo de memoria diseñado para resistir la exposición a la radiación para su uso en la exploración espacial.
Otras aplicaciones incluyen computación en memoria para aplicaciones de IA con mayor eficiencia energética o dispositivos de memoria para piel electrónica: una interfaz electrónica extensible diseñada para imitar las capacidades sensoriales de la piel humana. También conocido como e-skin, el material podría usarse para proporcionar retroalimentación sensorial a prótesis, crear nuevos rastreadores de actividad física portátiles o ayudar a los robots a desarrollar sensores táctiles para tareas delicadas.
“Esperamos que nuestros hallazgos puedan inspirar nuevas formas de utilizar la separación de fases para crear dispositivos de almacenamiento de información”, dijo Li.
Investigadores de Ford Research, Dearborn; Laboratorio Nacional Oak Ridge; Universidad de Albany; Nueva York crea; Laboratorios Nacionales Sandia; y la Universidad Estatal de Arizona, Tempe contribuyeron a este estudio.
El dispositivo fue fabricado en la Instalación de Nanofabricación de Lowry y estudiado en el Centro de Caracterización de Materiales de Michigan. El trabajo de la Universidad de Michigan fue financiado principalmente por la Fundación Nacional de Ciencias (ECCS-2106225).
