Моделирование и характеристика стохастического резистивного переключения в одиночных нанопроволоках Ag2S

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 6754 (2022) Цитировать эту статью

1574 Доступа

3 цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Халькогенидные резистивные переключатели (РС), такие как Ag2S, меняют сопротивление за счет роста металлических нитей между электродами вдоль градиента электрического поля. Следовательно, они являются кандидатами на применение в нейроморфной и энергозависимой памяти. В этой работе был проанализирован RS отдельных нанопроволок (ННК) Ag2S и расширена базовая модель RS для воспроизведения экспериментальных наблюдений. Работа моделирует сопротивление устройства как просачивание проводящих нитей. Также были рассмотрены непрерывные колебания удельного сопротивления со стохастическим изменением объемных долей нитей в устройстве. В результате эти флуктуации вызывают непредсказуемые закономерности вольт-амперных характеристик и включают в себя самопроизвольное изменение сопротивления устройства в процессе линейной развертки, которое не могут представить традиционные модели мемристоров с постоянным удельным сопротивлением. Параметры представленной стохастической модели одиночной ННК Ag2S были подогнаны к экспериментальным данным и воспроизвели ключевые особенности РС в физических устройствах. Более того, модель предполагала неосновную оболочечную структуру ННК Ag2S. Результат этой работы призван помочь в моделировании больших самособирающихся мемристивных сетей и помочь расширить существующие модели RS.

Резистивные переключающие устройства вызывают большой интерес из-за потенциального применения в нейроморфных вычислениях. В отличие от традиционных вычислительных архитектур, нейроморфные компьютеры хранят и обрабатывают данные в одном месте и, следовательно, могут выполнять массовые параллельные вычисления с низкими затратами энергии1,2,3, что не ограничивается узким местом фон Неймана4.

Ионопроводящие халькогениды серебра являются одними из наиболее привлекательных материалов RS из-за простоты их получения. RS в халькогенидах были тщательно изучены5,6,7,8,9,10 и уже продемонстрировали потенциальное использование для проверки концептуальных нейроморфных приложений, таких как генерация произвольных сигналов11, обработка речи12 и устройства принятия решений13,14. Кроме того, низкая стоимость и простота крупномасштабного производства ННК Ag2S предлагают удобный способ производства нейроморфных вычислительных устройств посредством случайной самосборки11,15. Более того, ННК Ag2S обеспечивают возможность изготовления трехмерных нейроморфных цепей высокой плотности16,17.

Моделирование нейроморфных устройств in silico предлагает удобный способ понять свойства этих материалов. Однако, хотя моделирование отдельных устройств в нейроморфных архитектурах с перекрестными решетками дает воспроизводимые результаты18, о надежном моделировании случайно собранных мемристивных сетей еще не сообщалось. Шум и непредсказуемое изменение фазы в отдельных устройствах создают основные препятствия при моделировании случайных и самособирающихся нейроморфных устройств. В частности, характеристики RS ННК Ag2S демонстрируют шум19,20 и нелинейное поведение, которое не может быть полностью объяснено простой моделью тонкопленочного мемристора, впервые предложенной Струковым и др.21.

Моделирование больших сетей нанопроволок RS, таких как Ag2S NW, можно улучшить, если понять морфологию материала и его динамические свойства. Существует несколько полиморфов Ag2S, существующих в узком температурном диапазоне. Например, акантит Ag2S-\(\alpha\) представляет собой низкотемпературную полиморфную модификацию с моноклинной кристаллической структурой, стабильной до ~450 К22. Выше 450 К и до ~860 К Ag2S находится в аргентитовой фазе Ag2S-\(\beta\) с упорядоченной ОЦК решеткой атомов серы и ионов Ag+, которые частично занимают тетраэдрические и октаэдрические позиции, что придает ему превосходную ионную подвижность и повышенную электропроводность22 ,23,24,25.

Помимо температуры, превращение между акантитом и аргентитом также может быть вызвано внешним электрическим полем, которое демонстрирует гистерезис зависимости тока от напряжения5,24. Однако, в отличие от устройств RS на основе оксидов переходных металлов26,27, ток в устройствах Ag2S демонстрирует значительно большую нестабильность и шум, связанный с нестабильностью нитей Ag и джоулевым нагревом5,6. Недавно сообщалось, что шум в Ag2S имеет структуру 1/f, вызванную динамическими точечными дефектами в металлических нитях, вызывающими временную нестабильность19,20. Это наблюдение послужило мотивацией для изучения описанной здесь модели, в которой мы аппроксимируем тепловые эффекты стохастическим параметром, который контролирует объемную долю в модели перколяции нитей в ННК Ag2S и, следовательно, моделирует эффекты джоулева нагрева.