3 Критика исследований
Прежде всего, следует отметить существенные различия между тем мемристором, который был теоретически предсказан Леоном Чуа в 1971 году и тем устройством, которое в 2008 году представили публике исследователи HP Labs. Работа гипотетического мемристора основана на магнитном потоке. Однако наноконструкция, обнаруженная в HP, фактически представляет собой аналоговое запоминающее устройство, которое вообще не требует для своей работы эффектов магнетизма. Некоторые скептики заявляли о том, что устройство памяти сконструированное HP Labs не являются по своей сути мемристорами, а скорее относятся к более широкому классу систем с переменным сопротивлением.
Другой существенный момент в том, что Леон Чуа, как человек, первым предложивший концепцию мемристора, предпочел не отвергать открытие HP Labs, а вместо этого изменил свою собственную позицию – относительно того, что представляет собой мемристор.
Многие критики неоднократно заявляли о наличии ошибок в исследованиях HP Labs, но позже многие из них были устранены в более точных моделях, в частности речь шла о том, что мемристор созданный HP не защищен от теплового шума, вследствие чего хранение информации с его помощью не надежно.
Мартин Рейнольдс, инженер-аналитик исследовательской группы Gartner, отметил, что в то время как HP была неаккуратны, называя их устройство мемристором, критики были педантичны, заявляя, что это не мемристор.
Самый же главный, пожалуй, довод критиков до недавнего времени сводился к тому, что мемристор сложен в реализации, по сравнению с прежними базовыми элементами – резистором, конденсатором, индуктивностью.
4 Обзор материалов с эффектом памяти
На самом деле материалы обладающие эффектом памяти, появились уже давно, но применить их как материальную базу для электронных устройств было весьма затруднительно.
Твёрдые электролиты являются на сегодняшний день один из главных претендентов на то, чтобы быть материальной базой для мемристоров. В литературе представлены результаты экспериментальных исследований, визуализирующие формирование нити проводимости в элементах на основе твердых электролитов, в частности, изображения, полученные методом сканирующей электронной микроскопии и просвечивающей электронной микроскопии. Элементы на основе твердых электролитов, размещенных между двумя электродами, начали изучать еще в 1970-х годах [6]. В литературе представлены результаты экспериментальных исследований, визуализирующие формирование нити проводимости в элементах на основе твердых электролитов, в частности, изображения, полученные методом сканирующей электронной микроскопии и просвечивающей электронной микроскопии. Схематично поэтапный процесс переключения элемента на основе твердого электролита, а также его вольт-амперная характеристика представлены на рисунке 4 [6]. В начальный момент времени элемент на основе твердого электролита имеет высокое сопротивление (Reset), проводящая нить в электролите отсутствует (рисунок 4а). При приложении положительного напряжения к электрохимически активному электроду, например, из серебра, происходит реакция окисления с образованием ионов серебра, а также их последующий дрейф через твердый электролит (рисунок 4б). По достижении ионами противоположного электрода (электрохимически инертного, например, из платины) происходит реакция восстановления ионов серебра и процесс электрокристаллизации атомов серебра на поверхности платинового электрода. Последующий рост проводящей нити из атомов серебра происходит преимущественно в направлении электрохимически активного электрода (рисунок 4в). Переключение элемента в состояние Set наблюдается, когда проводящая нить вырастает на всю ширину электролита и образует контакт с электрохимически активным электродом (рисунок 4г). Элемент сохраняет состояние Set так долго, пока не будет приложено достаточное напряжение противоположной полярности, вызывающее электрохимическое растворение нити проводимости (рисунок 4д) и переключение элемента в исходное состояние Reset (рисунок 4а).
Рисунок 4 – Схема поэтапного процесса переключения элемента на основе твердого электролита совместно с его типичной вольт-амперной характеристикой
Такие материалы как халькогениды (бинарные химические соединения элементов 6-й группы периодической системы с металлами) при нагреве могут «переключаться» между двумя состояниями: кристаллическим и аморфным [6]. В таком случае для халькогенидов аморфное состояние, обладающее высоким сопротивлением, используется для представления двоичного 0, a кристаллическое состояние, обладающее низким уровнем сопротивления, представляет 1.
Механизм изменения сопротивления в элементах на основе оксидов металлов, еще достаточно плохо изучен и варьируется для различных материалов [6]. Наибольшее распространение в качестве материалов для изготовления на их основе элементов, обладающих способностью к резистивному переключению, получили следующие оксиды: TiOx, NiOx, TaOx, CuOx, HfOx, SiOx, перовскит SrTiO3 и др. Наблюдаемое резистивное переключение в элементах на основе оксидов происходит вследствие наличия в данных материалах различных дефектов и примесей, которые изменяют электронный транспорт в материале, а не его электронную структуру. Вследствие этого почти все изолирующие оксиды в большей или меньшей степени проявляют свойство резистивного переключения. При этом чтобы обеспечить управление переключением таких элементов, необходимо создавать дефекты в материалах либо в процессе изготовления элемента, либо после изготовления путем электрического воздействия на элемент (электроформирование).