Российские ученые создали кристаллы-невидимки для компьютеров будущего

В ИТМО было открыто новое семейство металл-органических кристаллов, которые обладают уникальной способностью самопроизвольно переходить из 3D-структур в 2D. Эти кристаллы могут быть использованы в качестве материала для мемристоров и технологии ReRAM, которые применяются для записи и хранения информации. Они создаются с помощью методов растворной химии, без необходимости использования дорогостоящей литографии, что существенно снижает их стоимость. К тому же, эти кристаллы могут быть очень тонкими (от четырёх нанометров), а их улучшенные электронные свойства делают их отличным вариантом для разработки устройств памяти и платформ искусственного интеллекта. Результаты исследования, поддержанного Российским научным фондом, были опубликованы в журнале Advanced Science.

С каждым годом на рынке появляются всё более совершенные модели электронных устройств. Для увеличения их мощности и расширения функционала требуется использование более энергоэффективных и быстрых элементов, способных вмещать больше информации. Однако это зачастую ведет к увеличению размера устройств, что создает неудобства для пользователей. Поэтому одна из главных задач разработчиков — миниатюризация технологий. Одним из решений этой проблемы может стать использование новых типов структур и активных (двумерных) материалов.

Одними из самых перспективных таких структур являются металл-органические каркасы (МОК). Эти структуры состоят из органических молекул, соединенных ионами металлов, что придает материалу прочность и характеристики органических веществ. При этом такие каркасы могут менять свою проводимость в зависимости от приложенного электрического поля — от проводящих до диэлектрических.

Однако большинство металл-органических каркасов существуют в виде трёхмерных структур, что усложняет их масштабирование для использования в наноэлектронике. Ученые из ИТМО предложили инновационный метод преобразования таких 3D-структур в 2D, что значительно упрощает их интеграцию в существующие устройства наноэлектроники. В процессе синтеза с использованием нескольких органических соединений (лигандов) 3D-кристаллы самопроизвольно переходят в 2D-форму, при этом новые 2D-структуры обладают улучшенными электронными свойствами по сравнению с их 3D-аналогами.

Учёные синтезируют объёмные кристаллы, нагревая в течение 48 часов раствор 1,2-бипиридилэтилена, 2,6-нафталендикарбоксилата и нитрата цинка. При осаждении этой смеси образуются 3D-кристаллы. После этого кристаллы сушат на воздухе, что приводит к разрушению координационных связей между слоями и их трансформации в 2D-структуры. На последнем этапе учёные используют клейкую ленту для отделения слоёв от получившихся 2D-кристаллов, которые можно использовать по отдельности в устройствах.

Разработанный метод позволяет получать структуры с параметрами, подходящими для производственного применения. Эти кристаллы достаточно тонкие (до четырёх нанометров), могут сохранять информацию более двух часов и выдерживать более 100 циклов переключения между состояниями с низкой и высокой проводимостью при соотношении сигнал/шум до 1400 единиц, как отмечает один из авторов исследования, аспирант и младший научный сотрудник физического факультета ИТМО Семён Бачинин.

Готовые 2D-кристаллы могут быть использованы для создания мемристоров — устройств для записи и хранения информации. Эти структуры не только более энергоэффективны и энергонезависимы, но и позволяют адресное обращение к конкретным ячейкам памяти, что невозможно в классических устройствах. К тому же их производство не требует сложной литографической технологии и дорогостоящего оборудования. Мемристоры могут быть использованы в микрооптических устройствах и элементах памяти компьютеров для работы с более сложными моделями искусственного интеллекта, функционируя по нейроморфным принципам, то есть имитируя работу нейронов головного мозга.

Исследование было выполнено в рамках гранта «2D металл-органические каркасы: альтернативный кремний для микроэлектроники» программы «Приоритет 2030» и гранта РНФ. В проекте участвовали учёные ИТМО, а также их коллеги из Харбинского университета, исследовательского института KAUST, Института неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН, Государственного Санкт-Петербургского института и Universite de Lorraine.