20 августа 2025 года

nanowerk.com Простое скручивание превращает графен в перепрограммируемый материал памяти

Скрученный графен сохраняет память, комбинируя гистерезис, вызванный деформацией, и нелинейный отклик, что позволяет создавать перепрограммируемую память с низким энергопотреблением в системе, состоящей исключительно из углерода. https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=67441.php (Nanowerk Spotlight) Электронная память всегда зависела от порядка. От первых вакуумных ламп до плотных флеш-архитектур современных устройств инженеры стремились к контролю над структурой, чистотой и симметрией. Однако материалы, которые сейчас формируют физику конденсированного состояния, подчиняются иной логике.
В моiré-сверхрешётках, слоистых системах, образованных наложением двумерных кристаллов с небольшим угловым смещением, беспорядок, возникающий при изготовлении, не ухудшает характеристики. Он их определяет. Несовершенства, ранее считавшиеся производственными ошибками, теперь открывают доступ к новым фазам вещества.
Это изменение парадигмы превратило скрученные графеновые системы в богатую экспериментальную платформу. Когда два бислоя графена поворачиваются относительно друг друга на небольшой угол, интерференция их атомных решёток создаёт крупномасштабные геометрические узоры, известные как моiré-сверхрешётки. Эти узоры изменяют электронное поведение материала, которое сильно зависит от угла скручивания, деформации и симметрии. Исследователи использовали их для изучения сверхпроводимости, магнетизма и сильно коррелированных изоляторов. Однако их потенциал как активных компонентов в электронных устройствах остаётся в значительной степени неисследованным.
Теоретические работы предполагали, что нарушение инверсионной симметрии в таких системах может вызвать нелинейные электрические отклики, при которых выходной сигнал не пропорционален входному, без использования переходов или межслойных интерфейсов. В то же время механическая деформация в этих скрученных структурах создаёт внутренние электрические поля за счёт флексоэлектрического эффекта, открывая путь к гистерезису и памяти.
Идея, что монолитная углеродная система, свободная от полярных материалов или ловушек заряда, может имитировать биологическое обучение, сохраняя состояния электрически, оставалась спекулятивной.
Новое исследование, опубликованное в Advanced Materials («Вторичная синаптическая память с использованием собственной пластичности моiré-сверхрешёток»), демонстрирует, что это больше не теоретическая возможность. Команда из CIC nanoGUNE (Испания) и Национального института материаловедения (Япония) сообщает, что скрученный двойной бислой графена может комбинировать нелинейный отклик и гистерезис, вызванный деформацией, для создания функционального, реконфигурируемого элемента памяти. Эта работа открывает новое направление в проектировании нейроморфных устройств из одноэлементных материалов.

Исследователи изготовили несколько устройств с использованием скрученного двойного бислоя графена с углами скручивания от 0,7 до 1,9 градусов. Также изучался контрольный образец с большим углом скручивания в 10 градусов. Образцы были заключены между слоями гексагонального нитрида бора для обеспечения стабильности и управления электрическими полями.

Используя конфигурацию полевого транзистора, команда независимо варьировала плотность носителей и поле вертикального смещения, измеряя сопротивление и напряжение на основной и второй гармонических частотах.

Одним из наиболее значимых открытий стало появление гистерезиса в сопротивлении материала при изменении поля вертикального смещения в прямом и обратном направлениях. Этот гистерезис, задержка в отклике системы, зависящая от её предыдущего состояния, наблюдался вблизи точки нейтральности заряда и при других критических заполнениях моiré-полос. Он отсутствовал в контрольном образце с большим углом, что подтверждает его связь с деформацией, вызванной скручиванием.

Исследователи показали, что этот гистерезис не связан с межслойными ловушками или ферроэлектрическим переключением. Вместо этого он отражает изменение электронной структуры материала, сохраняющееся даже после снятия поля.

Измеряя, как сопротивление изменяется с температурой и полем, команда определила размер энергетической щели в электронной зонной структуре. Эта щель также демонстрировала гистерезисное поведение, подтверждая идею, что вся зонная структура перестраивается в зависимости от истории. Исследователи предположили, что это связано с флексоэлектрической связью, при которой градиенты деформации создают поляризацию, нелинейно реагирующую на внешние поля. Неоднородные деформации вблизи доменных стенок моiré-узора, усиленные беспорядком угла скручивания, создают необходимые условия для этого эффекта.

Параллельно исследователи изучили вторичный нелинейный электрический отклик материала. Такой отклик возникает, когда материал без инверсионной симметрии генерирует сигналы с удвоенной частотой приложенного напряжения. В скрученной графеновой системе нарушенная симметрия моiré-сверхрешётки позволяет таким эффектам проявляться в объёме материала. Вторичные напряжения изменялись в зависимости от поля и концентрации носителей и меняли знак при целочисленных заполнениях моiré-полос. Это поведение согласуется с механизмом, обусловленным беспорядком, где локальное нарушение симметрии взаимодействует с геометрией зон.

Критически важно, что эти два эффекта — гистерезис и вторичная нелинейность — не независимы. Комбинируя их, исследователи создали элемент памяти, выходной сигнал которого можно настраивать с помощью поля и плотности носителей. Величина и знак нелинейного напряжения могли быть детерминированно управляемы в зависимости от того, как далеко поле смещения изменялось в предыдущих циклах. Это позволило создать систему памяти с несколькими устойчивыми уровнями, каждый из которых связан с уникальным вторичным электрическим откликом. Состояние памяти можно было изменять с помощью импульсных электрических полей, и уровни сохранялись без постоянного питания.

Команда продемонстрировала полную функцию синаптической памяти. Последовательность импульсов электрического поля использовалась для усиления или ослабления выходного сигнала, имитируя потенциацию и депрессию в биологических синапсах. Количество стабильных уровней превысило шестнадцать, и память сохраняла своё состояние в течение многих циклов с минимальной деградацией. Удержание было стабильным в течение дней, с ослаблением сигнала менее чем на один процент.

Энергозатраты на обновление памяти оценивались в диапазоне от 0,5 до 0,8 пикоджоулей, что сравнимо с передовыми конструкциями искусственных синапсов, использующих более сложные материалы. Поскольку вторичное напряжение может генерироваться без постоянного тока, система также может быть адаптирована для работы с низким энергопотреблением или в пассивном режиме.

Эти результаты показывают, что поведение памяти и обучения может быть достигнуто в одноэлементном материале, используя только деформацию и симметрию. Полярные молекулы, слои ловушек заряда или специально разработанные гетероструктуры не требуются. Вместо этого скрученная геометрия и естественная деформация моiré-узора обеспечивают необходимые внутренние степени свободы.

Тот факт, что знак и величина состояния памяти могут быть настроены электростатически, добавляет дополнительную гибкость. В данном исследовании память работает при криогенных температурах, но лежащий в основе механизм потенциально может быть расширен на системы с более высокими температурами.

Эта работа демонстрирует, что углерод сам по себе, при правильной геометрической конфигурации, может проявлять электронную пластичность. Прев вращая беспорядок в функциональную особенность, исследователи создали новый тип устройства памяти, определяемый его архитектурой, а не составом. Это открывает прямой путь к внедрению синаптического поведения в квантовые материалы без дополнительной сложности.

По мере того как нейроморфные вычисления движутся к системам, более близким к биологическим сетям, такие реконфигурируемые, компактные и эффективные элементы памяти могут помочь сформировать основы будущих вычислительных архитектур.