Разработан новый атомно-слоистый материал с низким удельным сопротивлением

Исследователи из Токийского столичного университета разработали новый атомно-слоистый материал с пятикратным снижением удельного сопротивления при окислении, что более чем в сто раз ниже удельного сопротивления в аналогичных неслойных материалах. Проанализировав структуру материала, команда обнаружила синергию между окислением и структурной модификацией, которая приводит к значительным изменениям физических свойств. 

В то время как искусственный интеллект совершает революцию в науке, промышленности и обществе, происходит тихая революция в разработке материалов нового поколения для создания чипов и устройств, необходимых для удовлетворения растущего спроса на вычислительные мощности. Особое внимание уделяется материалам для мемристоров — электронных элементов, которые кодируют «память» о предыдущих состояниях. Подобно синапсам в мозге, они могут найти применение в новых чипах для искусственного интеллекта.

Одним из ключевых требований является возможность резкого изменения удельного сопротивления при необходимости. Группа учёных под руководством доцента Даичи Оки из Токийского столичного университета работает с оксидами переходных металлов, которые, как известно, при окислении снижают удельное сопротивление. Используя технологию импульсного лазерного осаждения (PLD), учёным удалось создать высококачественную тонкослойную кристаллическую плёнку из Sr₃Cr₂O_7−δ, так называемую структуру перовскитного типа из-за её сходства с одноимённым минералом. Просто подвергнув плёнку термической обработке на воздухе, они обнаружили, что удельное сопротивление снизилось в пять раз. Это более чем в сто раз ниже ожидаемого значения для аналогичного материала SrCrO₃, который не является слоистым, а имеет трёхмерную структуру.

Чтобы понять, почему это произошло, команда исследователей изучила кристаллическую структуру. В материале было обнаружено большое количество кислородных вакансий — участков в структуре, которые должны быть заняты атомами кислорода. При нагревании и отжиге плёнки кислород проникал в неё, что приводило к изменению структуры. Одновременно менялась природа атомов хрома, или их «степень окисления». Интересно, что структурные изменения, которые они наблюдали, различались в многослойной плёнке и её трёхмерном аналоге. Они пришли к выводу, что синергия между изменениями в структуре плёнки и изменением степени окисления хрома создала условия, при которых электроны проводимости могли гораздо легче проходить через материал.

Хотя работа была сосредоточена на одном материале, сочетание окисления и слоистой атомной структуры представляет собой новый принцип проектирования, с помощью которого можно создавать целый ряд других плёнок. Команда надеется, что их метод вдохновит учёных на новые направления исследований и создание материалов для мемристоров, а также энергоэффективных передовых чипов, которые будут способствовать будущим компьютерным революциям.