Modellazione e caratterizzazione della commutazione resistiva stocastica in singoli nanofili Ag2S

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 6754 (2022) Citare questo articolo

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Gli interruttori resistivi al calcogenuro (RS), come Ag2S, cambiano la resistenza a causa della crescita di filamenti metallici tra gli elettrodi lungo il gradiente del campo elettrico. Pertanto, sono candidati per applicazioni di memoria neuromorfica e volatile. Questo lavoro ha analizzato la RS dei singoli nanofili Ag2S (NW) e ha esteso il modello RS di base per riprodurre osservazioni sperimentali. Il lavoro modella la resistività del dispositivo come percolazione dei filamenti conduttivi. Ha inoltre affrontato le fluttuazioni continue della resistività con un cambiamento stocastico nelle frazioni di volume dei filamenti nel dispositivo. Di conseguenza, queste fluttuazioni causano modelli imprevedibili nelle caratteristiche corrente-tensione e includono un cambiamento spontaneo nella resistenza del dispositivo durante la scansione lineare che i modelli memristori convenzionali con resistività costante non possono rappresentare. I parametri del modello stocastico presentato di un singolo Ag2S NW sono stati adattati ai dati sperimentali e hanno riprodotto le caratteristiche chiave di RS nei dispositivi fisici. Inoltre, il modello suggerisce una struttura a guscio non centrale degli Ag2S NW. Il risultato di questo lavoro ha lo scopo di aiutare nella simulazione di grandi reti memristive autoassemblate e di aiutare ad estendere i modelli RS esistenti.

I dispositivi di commutazione resistivi attirano molto interesse a causa delle potenziali applicazioni nel calcolo neuromorfico. A differenza delle architetture informatiche convenzionali, i computer neuromorfici archiviano ed elaborano i dati in un unico posto e pertanto possono eseguire calcoli paralleli in massa a un basso costo energetico1,2,3 senza essere vincolati dal collo di bottiglia di von Neumann4.

I calcogenuri d'argento ionicamente conduttivi sono uno dei materiali RS più attraenti grazie alla semplicità della loro produzione. Gli RS nei calcogenuri sono stati ampiamente studiati5,6,7,8,9,10 e hanno già mostrato un potenziale utilizzo in applicazioni neuromorfiche di prova di concetto come la generazione di segnali arbitrari11, l'elaborazione del parlato12 e i dispositivi decisionali13,14. Inoltre, il basso costo e la facilità della produzione su larga scala di Ag2S NW offrono un modo conveniente per produrre dispositivi informatici neuromorfici attraverso l'autoassemblaggio casuale11,15. Inoltre, gli NW Ag2S offrono la possibilità di produrre circuiti neuromorfici 3D ad alta densità16,17.

La simulazione in silico dei dispositivi neuromorfici offre un modo conveniente per comprendere le proprietà di questi materiali. Tuttavia, mentre la simulazione di singoli dispositivi in ​​architetture neuromorfiche a barra incrociata produce risultati riproducibili18, non è stata ancora riportata una simulazione affidabile di reti memristive assemblate casualmente. Il rumore e il cambiamento di fase imprevedibile nei singoli dispositivi rappresentano i principali ostacoli nella simulazione di dispositivi neuromorfici casuali e autoassemblati. In particolare, le caratteristiche di RS degli Ag2S NW mostrano rumore19,20 e un comportamento non lineare che non può essere completamente spiegato da un semplice modello di memristore a film sottile proposto per la prima volta da Strukov et al.21.

La modellazione di grandi reti di nanofili RS, come Ag2S NW, può essere migliorata comprendendo la morfologia del materiale e le sue proprietà dinamiche. Esistono diversi polimorfi di Ag2S che esistono in un intervallo di temperature ristretto. Ad esempio, l'acantite Ag2S-\(\alpha\) è un polimorfo a bassa temperatura con una struttura cristallina monoclina stabile fino a ~450 K22. Al di sopra di 450 K e fino a ~860 K Ag2S è nella fase argentite Ag2S-\(\beta\) con un reticolo bcc ordinato di atomi di zolfo e ioni Ag+ che occupano parzialmente siti tetraedrici e ottaedrici che gli conferiscono un'eccellente mobilità ionica e una maggiore conduttività elettrica22 ,23,24,25.

Oltre alla temperatura, la trasformazione tra acantite e argentite può essere indotta anche da un campo elettrico esterno che mostra isteresi nella corrente rispetto alla tensione5,24. Tuttavia, a differenza dei dispositivi RS con ossido di metallo di transizione26,27, la corrente nei dispositivi Ag2S presenta un'instabilità e un rumore considerevolmente maggiori legati all'instabilità dei filamenti Ag e al riscaldamento Joule5,6. È stato recentemente riportato che il rumore in Ag2S segue un modello 1/f causato da difetti puntiformi dinamici nei filamenti metallici che causano instabilità temporale19,20. Questa osservazione ha fornito la motivazione per esplorare il modello qui descritto, in cui approssimiamo gli effetti termici con un parametro stocastico che controlla la frazione di volume in un modello di percolazione dei filamenti nell'Ag2S NW e quindi simula gli effetti del riscaldamento Joule.