Мы используем cookie файлы.
Пользуясь сайтом, вы соглашаетесь с нашей Политикой конфиденциальности.

Приглашенный ученый Спаньоло Бернардо Италия
Номер договора
074-02-2018-330 (2)
Период реализации проекта
2018-2020

По данным на 19.05.2020

50
Количество специалистов
18
научных публикаций
1
Объектов интеллектуальной собственности
Общая информация

Одним из наиболее перспективных направлений исследований по созданию новых видов памяти, которым занимаются ученые лаборатории, является разработка резистивной памяти с произвольным доступом (RRAM) на основе мемристивных материалов. Основные достоинства этих материалов - высокое быстродействие, низкое энергопотребление элемента памяти, изготовленного на его основе, рекордно малые размеры, высокая надежность и скорость перезаписи при низковольтном питании и возможности использования низкоэнергозатратных процедур перезаписи/удаления, простота изготовления и создания сверхплотной упаковки представляют чрезвычайный интерес для широчайшего применения RRAM в устройствах для бурно развивающихся технологий интернета вещей.

Название проекта: Комплексное исследование флуктуационных явлений в мультистабильных системах для создания новых поколений электронных устройств и нейроморфных технологий искусственного интеллекта на основе мемристивных материалов

Приоритет СНТР: а



Цели и задачи

Направление исследований: Использование новейших методов статистического анализа в исследованиях флуктуационных явлений в мультистабильных мемристивных системах с целью обнаружения и детального изучения конструктивной роли шума, что позволит обеспечить опережающий научный задел для создания новых поколений электронных устройств и нейроморфных технологий искусственного интеллекта на основе мемристивных материалов

Цель проекта:

  • Исследование влияния внешних и внутренних шумов на поведение мультистабильных систем, изучение и анализ явлений с конструктивной ролью шума в мультистабильных системах
  • Экспериментальное исследование поведения мемристивных наноструктур на основе оксидных материалов при воздействии внешних и внутренних шумов, разработка адекватной физической макромодели мемристора с учетом влияния внешних и внутренних шумов и сопоставление ее с микромоделью физико-химических явлений, ответственных за резистивное переключение
  • Изучение микроскопической природы возникновения и влияния фликкер-шума и высокочастотного шума в мемристивных наноструктурах, экспериментальная демонстрация принципиально новых возможностей для повышения стабильности, предсказания поведения и управления параметрами мемристивных устройств в прототипах электронных устройств и нейроморфных систем нового поколения


Практическое значение исследования

Научные результаты:

2018 год:

Исследованы общие статистические закономерности и свойства поведения мультистабильных систем.

  • Рассмотрены основные модели мультистабильных мемристивных систем, созданные на основе различных подходов (микроструктурных, стохастических макромодельных, термодинамических, квантовых), и некоторые упрощенные модели, полученные путем синтеза различных подходов;

  • Предложен новый геометрический метод, позволяющий исследовать неравновесные стационарные фазовые переходы в квантовых системах. Метод позволяет фиксировать появление неравновесного фазового перехода в системе и определять, является ли выявленный переход квантовым или классическим по своей природе. Разработан математический метод симметричной логарифмической производной для вычисления максимально точных оценок квантовых величин;

  • Введена в рассмотрение новая феноменологическая модель, где в качестве параметра порядка выбрана длина филамента. Оценка длины филамента строится на базе анализа упрощенного уравнения, описывающего диффузию дефектов;

  • Сформированы тонкие оксидные пленки на различных подложках, а также контрольные наноструктуры «металл-оксид-металл» и «металл-оксид-полупроводник», проявляющие мемристивный эффект;

  • Экспериментально показано, что параметры ионного и электронного транспорта отличаются для разных оксидных материалов, что должно влиять как на источники и характеристики внутреннего шума, так и на системный энергетический профиль, определяющий реакцию на внешний шум.


Изучены и проанализированы явления с конструктивной ролью шума в мультистабильных системах.

  • Изучены явления повышения шумом устойчивости метастабильных квантовых состояний, резонансно-активированного выхода из квантового метастабильного состояния;

  • В рамках упрощенной диффузионной модели изучены явления задержки шумом релаксации к стационарному распределению, ускорения и задержки шумом переключения мемристивной системы в состояние SET, увеличения и уменьшения шумом дисперсии времен переключения мемристивной системы в состояние SET.


Проведено экспериментальное макроскопическое и микроскопическое исследование влияния внешних и внутренних шумов на поведение мультистабильных мемристивных структур на основе оксидных материалов.

  • Осуществлено тестирование генератора белого гауссовского шума, созданного на основе разработанной ранее в среде LabVIEW системы ADSViewer2. Показано, что генерируемый шум обладает удовлетворительными статистическими характеристиками и пригоден для исследования влияния шумов на мультистабильные мемристивные структуры на основе оксидных пленок SiOx, ZrO2(Y) и HfO2(Y);

  • Экспериментально исследованы внутренние шумы в мультистабильных мемристивных структурах на основе оксидных пленок ZrO2(Y). Определены статистические характеристики шумов пленок, находящихся в разных проводящих состояниях;

  • Исследована реакция сопротивления мемристивных наноструктур на зашумленную импульсную (спайковую) активность, зарегистрированную в культуре живых клеток гиппокампа;

  • Методом атомно-силовой микроскопии исследованы особенности резистивного переключения в сверхтонких (толщиной ≈5 нм) пленках стабилизированного диоксида циркония со встроенными однослойными массивами наночастиц Au;

  • Исследована динамика пространственного распределения потенциала, индуцированного электрическим зарядом, инжектированным из АСМ-зонда в тонкие (толщиной < 10 нм) пленки СДЦ/Si со встроенными наночастицами Au. Измерены и проанализированы изображения и профили поверхностного потенциала, индуцированного электронами, захваченными в наночастицах Au в зависимости от времени, прошедшего с момента инжекции заряда.


Изучена микроскопическая природа возникновения и влияния фликкер-шума и высокочастотного шума в мемристивных структурах, в том числе в наномасштабных областях.

  • Теоретически исследованы шумы, вызванные флуктуациями концентрации магнитных дефектов, в окислах редкоземельных металлов, перспективных для создания мемристивных структур. Выведено флуктуационное уравнение для концентрации магнитных дефектов, предназначенное для описания микроскопической природы возникновения фликкер-шума и высокочастотных шумов в тонких пленках SiOx, ZrO2(Y) и HfO2(Y);

  • Исследован фликкер-шум в автогенераторах, выполненных на современной элементной базе, включая мемристивные структуры, обусловленный флуктуациями их эквивалентных резистивных элементов. Показана возможность определения микроскопических процессов, происходящих в мемристивных структурах, через макроскопические измеряемые величины (ток через АСМ-зонд, выделяющееся напряжение);

  • Исследована микроскопическая природа возникновения фликкер-шума в мемристивных структурах методом атомно-силовой микроскопии с проводящим АСМ-зондом. Определены энергии активации диффузии ионов кислорода внутри проводящей нити в структуре на основе ZrO2(Y), которые хорошо согласуются с результатами исследования интегральных электрофизических характеристик.

Созданы прогнозные модели эволюции мультистабильных мемристивных систем под влиянием шумов и флуктуаций.

  • Подобраны формы потенциального профиля с мультистабильными состояниями путем аппроксимации полиномами высокой степени. Показано, что полученный тристабильный профиль качественно соответствует профилю свободной энергии образования филамента в рамках термодинамической модели образования филамента;

  • Установлены временные зависимости резистивного состояния в зависимости от параметров потенциального профиля и амплитуды внешнего шума.

  Разработаны перспективные архитектуры импульсных (спайковых) нейронных сетей.

  • Разработана программно-аппаратная импульсная нейронная сеть, состоящая из 4 входных нейронов, соединенных с одним выходным нейроном порогового типа посредством мемристивных связей на основе нанокомпозитного материала;

  • Подобраны параметры порогового нейрона и проведено обучение разработанной импульсной нейронной сети на шумовом сигнале с распределением пуассоновского типа по локальным правилам обучения типа STDP. Продемонстрирована независимость результата обучения от начального состояния сети.

  Разработана топология макетов мемристивных устройств, проведено исследование параметров мемристивных устройств.

  • Топологические варианты макетов мемристивных устройств разработаны в системе автоматизированного проектирования Cadence с использованием топологического редактора Virtuoso в составе тестового кристалла, обеспечивающего монтаж в стандартный металлокерамический корпус и интеграцию мемристоров в аналогово-цифровые электрические схемы, которые будут разработаны для демонстрации конструктивной роли шума и новых нейросетевых архитектур на основе мемристивных устройств;

  • Показано наличие резистивного переключения в изготовленных топологических элементах и возможность управления проводимостью устройств по правилу STDP.


2019 год:

Проведено компьютерное моделирование стохастических микроскопических явлений, ответственных за перестройку атомной структуры оксидных материалов под действием электрического поля и тока (джоулева разогрева).

  • Представлен оригинальный подход для моделирования закономерностей и параметров резистивного переключения, основанный на методе кинетического Монте-Карло моделирования стохастической миграции кислородных вакансий / ионов в металл-оксидных мемристивных структурах. Создан алгоритм и программа для КМК-расчета процессов электроформовки и переключения, корректно описывающие наблюдаемые экспериментально ВАХ, их разброс от цикла к циклу и отклик мемристора на импульсные воздействия.

  • Эффективность компьютерной модели продемонстрирована на экспериментально реализованных структурах Au/oxide/TiN, в которых в качестве оксидного материала использованы поликристаллические пленки стабилизированного иттрием диоксида циркония (ZrO2(Y)). Показано, что предложенный алгоритм обеспечивает динамический учет меняющегося распределения электрического потенциала и температуры с ростом филамента произвольной формы, а также влияние кислородного обмена на интерфейсе.

  • Эффективность компьютерной модели продемонстрирована на экспериментально реализованных аморфных пленках SiOx со столбчатой структурой, полученных методом магнетронного распыления. Показано, что особенностью предлагаемого алгоритма является его гибкость, так как лежащий в его основе подход может быть применен к различным оксидным мемристивным структурам с внесением (при необходимости) корректив, учитывающих особенности этих структур. При этом данный подход не требует времязатратных вычислений и некритичен к вычислительной мощности компьютера.

Проведена экспериментальная верификация прогнозных моделей.

  • Проведена экспериментальная верификация стохастической модели мемристивного устройства на основе многослойной структуры Au/Ta/ZrO2(Y)/Ta2O5/TiN/Ti. Показывано, что спредложенная стохастическая модель способна адекватно воспроизводить фундаментальные свойства резистивного переключения, такие как гистерезисная ВАХ и ее зависимость от частоты развертки управляющего напряжения.

  • Произведены измерения эволюции вероятностных распределений сопротивления мемристора изготовленного на базе ZrO2(Y)/Ta2O5 и SiO2, а также виртуального мемристора в контакте зонда АСМ к поверхности пленок ZrO2(Y). Наблюдалось отсутствие принципиальных различий в эволюции распределений под действием внешнего шума в обеих структурах. Это свидетельствует о том, что наблюдаемые закономерности поведения мемристоров характеризуют фундаментальные свойства мемристора как стохастической системы безотносительно материала функционального диэлектрика или размера контактов. Обнаружено, что распределения под действием внешнего шумового сигнала со временем изменяются и приходят к стационарному состоянию. Процесс перехода может занимать значительное время порядка нескольких часов. Обнаружено, что стационароные распределения имеют единственный максимум. Обнаружен эффект переходной бимодальности. Эти свойства противоречат термодинамической и соответствуют стохастической прогнозной модели.

  • Произведены теоретические оценки и экспериментально подтверждены свойства явления стохастического резонанса и резонансной активации в мемристивных структурах на основе ZrO2(Y)(10 нм) / Ta2O5(10 нм) и в соответствующих пленках ZrO2(Y). Показано, что механизм возникновения стохастического резонанса является пороговым и обусловлен нелинейной зависимостью величины сопротивления диэлектрического слоя от концентрации дефектов. Обнаружено, что в явлении резонансной активации амплитуда резистивных переключений имеет максимум на частоте соответствующей характерной частоте перескока ионов O2– на соседние вакансии кислорода ZrO2(Y).

  Проведено экспериментальное исследование процессов деградации в мемристивных структурах на основе тонких плёнок Si3N4 и ZrO2(Y). Первый тип тонких пленок (SN6) – Si3N4/SiO2/Si; подложка n++-Si(001); слой SiO2 – 2 нм; слой Si3N4 – 6 нм. Второй - (SN8) – Si3N4/Si; подложка n++-Si(001); слой Si3N4 – 6 нм. Для каждой структуры измерения проводились в двух состояниях: состояние с высоким сопротивлением (СВС) и состояние с низким сопротивлением (CНС).

  • Дано описание исследуемых структур SN6 и SN8, описана методика измерений. Длительность отдельной записи составляла порядка 1 или нескольких минут. Обнаружено, что статистические характеристики шума практически не зависят от наличия контакта.

  • Проведен анализ структур SN6 и SN8. Показано, что экспериментальные данные демонстрируют нестационарность шума.

  • Проведен анализ структуры SN8 при частоте взятия отсчётов 2 056 Гц. Подтверждено что экспериментальные данные демострируют нестационарность шума, которая проявляется в необратимом переходе структуры из СНС в СВС в течение отдельного цикла измерений.

  • Произведено сравнение структур SN6 и SN8. Экспериментальные данные для обеих структур демонстрируют нестационарность шума. Проведен анализ процессов деградации в этих структурах. Показано, что наличие дополнительного слоя SiO2 в образце SN6 приводит к уменьшению НЧ шума по сравнению с образцом SN8, в котором этот слой отсутствует. Однако отмеченное уменьшение шума сопровождается уменьшением времени жизни образца, то есть ускорением процессов деградации.

  • Проведено экспериментальное исследование процессов деградации в многослойных мемристивных структурах на основе ZrO2(Y)(10 нм) / Ta2O5(10 нм) в составе микроустройств путём подачи последовательностей считывающих и программирующих импульсов напряжения. Установлено, что максимальное число переключений зависит от параметров конкретного мемристора и их разброса. Большинство структур демонстрируют резистивное переключение с количеством циклов переключения 105 –106 без изменения параметров переключающих импульсов напряжения.

  Разработана физическая макромодель мемристора с учетом влияния внешних и внутренних шумов и проведено сопоставление ее с микромоделями физико-химических явлений, ответственных за резистивное переключение.

  • Разработана физическая макромодель мемристора с учетом влияния внешних и внутренних шумов. Рассмотрены граничные условия, соответствующие различным материалам электродов.

  • Проведен анализ полученной физической макромодели. Рассмотрены стационарные и нестационарные решения управляющих уравнений и проанализированы их свойства. Показано, что эффективный коэффициент диффузии дефектов в диэлектрике может иметь немонотонную зависимость от интенсивности флуктуаций. Обнаружен эффект задержки распада нестабильных состояний шумом. Определены параметры для его наблюдения в эксперименте.

  • На основе анализа микромодели диффузионных скачков получена оценка скачка тока, обусловленного единичным актом диффузии иона кислорода внутри филамента: i0  7х10–13 А. Анализ спектральных характеристик флуктуаций тока показал хорошее согласие исходных экспериментальных данных и результатов моделирования.

  • Разработана физико-математическая макромодель мемристивной динамической системы, которая откалибрована по оригинальным экспериментальным данным и учитывает влияние внутренних шумов через флуктуации параметров микроскопических физико-химических явлений, ответственных за резистивное переключение. Разработанная модель адекватно описывает разброс параметров резистивного переключения и его зависимость от частоты (скорости развертки).

  • Разработан метод исследования корреляционных свойств квантовых моделей мемристивных систем. Метод включает геометрические и топологические инструменты, которые эффективны для обнаружения резких изменений в квантовых моделях мемристора. На основе теории квантовой оценки разработан новый инструмент для количественной оценки «квантованности» мемристивного механизма переключения.

  • Проведено исследование двух макромоделей идеального мемристора с внешним гауссовым шумом. Проанализированы различные шумовые воздействия в виде белого и цветного гауссова шума. Обнаружено отсутствие установившегося вероятностного распределения сопротивления мемристора в рамках рассмотренных моделей.

  Разработаны алгоритмы и проведена апробация новых нейросетевых архитектур на основе мемристивных устройств.

  Разработаны топология и технологический маршрут производства чипа с массивом мемристивных устройств.

Опубликовано 18 статей в научных изданиях, индексируемых в базе данных «Web of Science» (в т.ч. 9 статей в журналах Q1).

Внедрение результатов исследования:

Получен патент РФ на изобретение «Способ изготовления мемристоров с наноконцентраторами электрического поля» (№2706207 от 14.11.2019). Подана и зарегистрирована международная заявка на изобретение, поданная в соответствии с Договором о патентной кооперации (PCT).

Поданы и зарегистрированы заявки на выдачу патентов РФ на изобретения:

  • «Способ оценки энергии активации ионов кислорода в филаменте мемристора»

  • «Устройство для переключения мемристора»

  • «Способ управления работой мемристора и устройство для его осуществления»

Образование и переподготовка кадров:

Защиты: 1 кандидатская диссертация, 1 диссертация на степень PhD (Университет Палермо), 5 дипломных работ.

Проведено обучение 17 членов научного коллектива, 2 аспиранта прошли стажировку в Университете Палермо.

Организационные и инфраструктурные преобразования:

В ННГУ создана и функционирует междисциплинарная лаборатория стохастических мультистабильных систем (StoLab, http://www.stolab.unn.ru/), состоящая из 5 секторов: сектор современных методов стохастического анализа, сектор технологии мемристивных материалов, сектор микроскопических зондовых исследований, сектора физики шумов, сектор нейроморфных технологий. В рамках междисциплинарной лаборатории объединены усилия ведущих научно-педагогических и инженерно-технических работников радиофизического факультета, НОЦ «Физика твердотельных наноструктур», физического факультета, НИФТИ, Нижегородского нейронаучного центра (ННГУ) и представителей Курчатовского комплекса НБИКС-технологий (НИЦ «Курчатовский институт»). Научный коллектив состоит из 50 человек, в том числе 5 докторов наук, 18 кандидатов наук, 8 студентов ННГУ и 6 аспирантов ННГУ.

Другие результаты:

Проведено 4 международных научных мероприятия по теме «Стохастические мультистабильные системы» и научный семинар «Нейроморфные и нейрогибридные системы» в рамках симпозиума «Volga Neuroscience Meeting – 2018» по тематике работы лаборатории.

Сотрудничество:
    • Университет Палермо (Италия): совместные исследования, научные мероприятия, совместная аспирантура

    • Институт нанонаук и нанотехнологий Национального центра научных исследований «Демокрит» (Греция): совместные исследования, научные мероприятия

    • Университет Лафборо (Великобритания): совместные исследования

    • Политехнический университет Мадрида (Испания): совместные исследования

    • Университет Гранады (Испания): совместные исследования

    • Университет Южной Каролины (США): совместные исследования

    • Университет Донгук (Корея): совместные исследования

    • Индийский технологический институт Ропар (Индия): совместные исследования

Скрыть Показать полностью
Spagnolo B., Carollo A.
Stabilizing Effect of Driving and Dissipation on Quantum Metastable States. Physical Review A (Q1) (2018).
Carollo A., Spagnolo B., Valenti D.
Uhlmann Curvature in Dissipative Phase Transitions. Scientific Reports – Nature (Q1) (2018).
Filatov D., Kazantseva I., Antonov D., Antonov I., Shenina M., Pavlov D., Gorshkov O.
Conductive Atomic Force Microscopy Study of the Resistive Switching in Yttria-Stabilized Zirconia Films with Au Nanoparticles. Scanning 5489596 (2018).
N.V. AGUDOV, A.V. SAFONOV, A.V. KRICHIGIN, A.A. KHARCHEVA, A.A. DUBKOV, D. VALENTI, D.V. GUSEINOV, A.I. BELOV, A.N. MIKHAYLOV, A. CAROLLO, B. SPAGNOLO
Nonstationary distributions and relaxation times in a stochastic model of memristor. Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment (Q1) (2020)
D.O. FILATOV, A.S. NOVIKOV, V.N. BARANOVA, D.A. ANTONOV, A.V. KRUGLOV, I.N. ANTONOV, A.V. ZDOROVEYSHCHEV, M.N. KORYAZHKINA, O.N. GORSHKOV, A.A. DUBKOV, A. CAROLLO, B. SPAGNOLO
Experimental investigations of local stochastic resistive switching in yttria stabilized zirconia film on a conductive substrate. Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment (Q1) (2020)
A. V. YAKIMOV, D. O. FILATOV, O. N. GORSHKOV, D. A. ANTONOV, D. A. LISKIN, I. N. ANTONOV, A. V. BELYAKOV, A. V. KLYUEV, A. CAROLLO, B. SPAGNOLO
Measurement of the activation energies of oxygen ion diffusion in yttria stabilized zirconia by flicker noise spectroscopy. Applied Physics Letters (Q1) (2019).
A.V. KLYUEV, M.I. RYZHKIN, A.V. YAKIMOV, B. SPAGNOLO
Memory effect and generation-recombination noise of magnetic monopoles in spin ice. Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment (Q1) (2019)
CAROLLO A., SPAGNOLO B., DUBKOV A.A., VALENTI D.
On quantumness in multi-parameter quantum estimation. Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment (Q1) (2019)
LEONFORTE L., VALENTI D., SPAGNOLO B., DUBKOV A.A., CAROLLO A.
Haldane model at finite temperature. Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment (Q1) (2019)
D.O. FILATOV, D.V. VRZHESHCH, O.V. TABAKOV, A.S. NOVIKOV, A.I. BELOV, I.N. ANTONOV, V.V. SHARKOV, M.N. KORYAZHKINA, A.N. MIKHAYLOV, O.N. GORSHKOV, A.A. DUBKOV, A. CAROLLO, B. SPAGNOLO
Noise-induced resistive switching in a memristor based on ZrO2(Y)/Ta2O5 stack. Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment (Q1) (2019)
Фотоальбомы
Вторник , 03.12.2019
Другие лаборатории и ученые
Лаборатория, принимающая организация
Область наук
Город
Приглашенный ученый
Период реализации проекта
Сверхбыстрая динамика ферроиков

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский технологический университет»

Электротехника, электронная техника, информационные технологии

Москва

Кимель Алексей Вольдемарович

Нидерланды

2014-2018

Лаборатория проектирования специализированных интегральных микросхем

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» (НИЯУ МИФИ)

Электротехника, электронная техника, информационные технологии

Москва

Самсонов Владимир Михайлович

Россия

2013-2017

Лаборатория алмазной электроники

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук» (ИПФ РАН)

Электротехника, электронная техника, информационные технологии

Нижний Новгород

Батлер Джеймс Эхрич

США

Вихарев Анатолий Леонтьевич

Россия

2013-2017