Combinatiemateriaal levert nieuwe inzichten op voor op brein gebaseerde computer

Kort & bondig

Transistoren kunnen twee waarden hebben: 0 of 1. Onze hersenen verwerken informatie via neuronen, die veel complexer zijn: zij kunnen allerlei verschillende waarden hebben, de afhangen van de signalen die ze eerder hebben gekregen en kort of lang onthouden zijn. Wetenschappers proberen transistoren te bouwen die ook zo’n geheugen hebben, de memristors. Een interessant materiaal om die te maken is strontium titanium oxide. RUG-onderzoekers hebben ontdekt hoe dit materiaal zijn stroomweerstand kan veranderen op basis van het aantal elektronen of de ophoping van defecten in de structuur die ontstaan door het ontbreken van zuurstofatomen. Deze inzichten kunnen op den duur memristors opleveren die reageren op verschillende tijdschalen, en zo een korte en lange termijn geheugen hebben.

Wetenschappers werken aan nieuwe materialen waarmee zogeheten neuromorfe computers, gebaseerd op het menselijke brein, zijn te maken. Belangrijk daarin zijn memristors, schakelingen waarin de weerstand afhangt van hun geschiedenis – net zoals de reactie van een neuron in de hersenen afhangt van de prikkels die deze eerder kreeg. Materiaalwetenschappers van de RUG hebben het gedrag van strontium titanium oxide geanalyseerd, een materiaal dat hiervoor geschikt is, door er het 2D materiaal grafeen er bovenop te plaatsen. De resultaten zijn op 11 november gepubliceerd in ACS Applied Materials and Interfaces.

Computers zijn grote rekenmachines vol schakelaars die een waarde van 0 of 1 hebben. Door heel veel van deze binaire schakelaars te combineren kunnen ze snel rekenen. Maar in andere opzichten zijn ze niet zo efficiënt. Onze hersenen gebruiken bijvoorbeeld veel minder energie dan standaard microprocessoren bij het herkennen van gezichten, of andere complexe taken. De reden hiervoor is dat de neuronen in ons brein veel meer waarden kunnen hebben dan 0 of 1, en omdat hun output afhangt van voorafgaande input.

Sleutel

Om schakelaars te maken met een geheugen, zogeheten memristors, wordt veelal strontium titanium oxide (STO) gebruikt. Dit materiaal heeft een bijzondere kristalstructuur die afhangt van de temperatuur en krijgt gedeeltelijk ferroelektrische eigenschappen krijgt bij lage temperaturen. Dat ferroelektrische gedrag verdwijnt boven de 105 Kelvin. Dit gebeurt tijdens een zogeheten faseverandering, waarin domeinen en domeinmuren een rol spelen. Ondanks veel onderzoek naar dit materiaal is de reden van het gedrag ervan nog steeds niet duidelijk. ‘Het is een klasse apart’, zegt Tamalika Banerjee, hoogleraar Spintronica van Functionele Materialen aan de RUG.

De zuurstofatomen in het kristal lijken de sleutel tot het bijzondere gedrag te zijn. ‘Ze ontbreken soms, en die lege plekken kunnen zich door het kristal verplaatsen’, zegt Banerjee. Bovendien zijn er domeinmuren aanwezig, plekken waar twee groeiende kristaldelen bij elkaar kwamen. ‘Die kunnen zich ook verplaatsen in het materiaal wanneer er een elektrische spanning op wordt gezet.’ Er is al veel onderzoek naar gedaan, maar het blijft lastig om in het kristal te kijken. En dat is waar Banarjee en haar medewerkers in geslaagd zijn, met behulp van een ander materiaal dat een ‘klasse apart’ is: grafeen, de tweedimensionale vorm van koolstof.

Resultaten

‘De eigenschappen van grafeen hangen af van hoe zuiver het is’, zegt Banerjee. ‘En bij STO zijn het juist onvolkomenheden in de kristalstructuur die dat bepalen. Door de twee te combineren bleken we nieuwe inzichten en mogelijkheden te krijgen.’ Een groot deel van het nieuwe onderzoek is gedaan door Si Chen, promovendus bij Banerjee. Zij plaatste stroken grafeen op STO en mat de geleiding bij verschillende temperaturen, door een poortspanning te variëren tussen verschillende positieve en negatieve waarden. ‘Wanneer de poortspanning zorgt voor een overmaat aan elektronen of hun positieve tegenhangers, gaten, is het grafeen geleidend’, vertelt Chen. ‘Maar op het punt waar er maar erg weinig elektronen en gaten zijn, het Dirac punt, is de geleiding erg klein.’

Onder normale omstandigheden verandert de plek van het punt met minimale geleiding niet met de richting waarin de spanning verandert. Maar in grafeen op STO verschilt de positie van het minimale geleiding punt tussen veranderingen van min naar plus of plus naar min. Dit effect is zeer sterk bij een temperatuur van 4 Kelvin en minder uitgesproken bij 105 of 150 Kelvin. Analyse van de experimentele resultaten, gecombineerd met theoretisch onderzoek gedaan aan de Universiteit van Uppsala, laat zien dat lege zuurstofposities aan het oppervlak van het STO hiervoor zorgen.

Geheugen

Banerjee: ‘De faseovergang die onder de 105 Kelvin plaatsvindt rekt de kristalstructuur iets uit, waardoor dipolen ontstaan. Wij tonen aan dat lege zuurstofplekken ophopen bij de domeinmuren en dat die muren kanalen vormen waardoor ze zich verplaatsen. Deze kanalen zijn verantwoordelijk voor de memristor eigenschappen van STO.’ Ophoping van kanalen met lege zuurstofplekken in de kristalstructuur van STO verklaart ook de verschuiving van het punt van minimale geleiding.

Chen deed nog een experiment: ‘We hielden de poortspanning op het STO constant op -80 volt, waarbij we bijna een half uur lang de geleiding in het grafeen maten. Wat we zagen was een verandering in de geleiding die wijst op een verschuiving van geleiding via gaten naar die via elektronen.’ Dit effect ontstaat vooral door de ophoping van lege zuurstofplekken aan het oppervlak van het STO.

Alles bij elkaar laten de experimenten zien dat de eigenschappen van de STO/grafeen combinatie veranderen door zowel de beweging van elektronen als ionen, beide op een verschillende tijdsschaal. Banerjee: ‘Door elektronen of ionen te gebruiken kunnen we een memristor-effect krijgen op verschillende tijdschalen, vergelijkbaar met het korte- en lange termijn geheugen.’ Het onderzoek geeft zo nieuwe inzichten in het gedrag van STO memristors. ‘En de combinatie met grafeen biedt nieuwe perspectieven voor gecombineerde memristische structuren van ferroelektrisch materiaal en 2D materiaal.’

Referentie: Si Chen, Xin Chen, Elisabeth A. Duijnstee, Biplab Sanyal, and Tamalika Banerjee: Unveiling Temperature-Induced Structural Domains and Movement of Oxygen Vacancies in SrTiO3 with Graphene. ACS Appl. Mater. Interfaces, 11 November 2020