Легированные азотом углеродные нанотрубки для автономных мемристивных систем
- Авторы: Ильина М.В.1, Соболева О.И.1, Полывянова М.Р.1, Ильин О.И.1
-
Учреждения:
- Южный федеральный университет
- Выпуск: Том 18, № 4 (2023)
- Страницы: 810-813
- Раздел: Материалы конференции
- URL: https://ogarev-online.ru/2313-1829/article/view/256344
- DOI: https://doi.org/10.17816/gc623422
- ID: 256344
Цитировать
Открытый доступ
Доступ предоставлен
Только для подписчиков
Аннотация
Мемристивные устройства являются одними из перспективных кандидатов для создания нейроморфных систем благодаря возможности многоуровневого переключения, низким рабочим напряжениям и высокой масштабируемости. Однако, как и для любого пассивного элемента для работы мемристора необходимо внешнее напряжение смещения, что требует включения в цепь источника питания. В связи с этим, большой интерес представляют работы по созданию мемристивных систем с автономным питанием, состоящих из последовательно соединенных друг с другом мемристора и наногенератора, преобразующего энергию внешней среды в электрическую [1, 2]. Такая мемристивная система имеет огромный потенциал применения в аэрокосмической области и имплантируемой электронике. На данный момент уже разработаны первые мемристорные и сенсорные системы с автономным питанием на основе оксидов металлов и пьезоэлектрических наногенераторов (ПЭНГ) [2]. Основными проблемы в данной области является уменьшение размера наногенератора и согласование выходных параметров наногенератора и входных параметров мемристора. В рамках данной работы данные проблемы решаются путем создания мемристорной системы с автономным питанием на основе легированных азотом углеродных нанотрубок (N-УНТ).
Ранее нами были исследованы мемристивные свойства N-УНТ и показано, что нанотрубки демонстрируют воспроизводимое многоуровневое переключение с отношением сопротивлений в высоко- и низкоомном состояниях (HRS/LRS) около 4 ⋅ 105 [3, 4]. При этом установлено, что мемристивный эффект в N-УНТ обусловлен внедрением атомов азота в структуру нанотрубки и формированием внутреннего пьезоэлектрического поля [4]. В рамках дальнейших исследований было установлено, что массив вертикально ориентированных N-УНТ является перспективам материалом для создания ПЭНГ: генерируемое выходное напряжения составляет сотни мВ, а генерируемый единичными нанотрубками ток достигает сотен нА [5]. Полученные результаты позволяют говорить о возможности разработки мемристорной системы с автономным питанием либо путем последовательного соединения мемристора и ПЭНГ на основе N-УНТ.
Для оптимизации выходных характеристик ПЭНГ, в частности, амплитуды генерируемого напряжения, и входного напряжения переключения мемристора на основе N-УНТ, проводились исследования по увеличению пьезоэлектрического отклика и снижению напряжения переключения сопротивления N-УНТ путем изменения концентрации легирующей примеси азота в процессе роста нанотрубок. Было установлено, что для создания ПЭНГ с выходным напряжением до 2 В требуется рост N-УНТ с концентрацией легирующего азота до 12% и высоким аспектным соотношением длины к диаметру (более 60), что обеспечивается при низких температурах роста (500 – 550 С°) и высоком соотношение потоков ацетилена и аммиака приводит (1:5 – 1:6). Для изготовления мемристоров с минимальным напряжением переключения (около 2 В), напротив, требуются N-УНТ с малым аспектным соотношением (менее 30) и концентраций легирующего азота 4 – 6 %, что обеспечивается повышением температуры роста до 615 С° и уменьшением времени роста. Полученные результаты могут быть использованы при разработке мемристорных и сенсорных систем с автономным питанием на основе легированных азотом углеродных нанотрубок.
Ключевые слова
Полный текст
Мемристивные устройства являются одними из перспективных кандидатов для создания нейроморфных систем благодаря возможности многоуровневого переключения, низким рабочим напряжениям и высокой масштабируемости. Однако, как и для любого пассивного элемента, для работы мемристора необходимо внешнее напряжение смещения, что требует включения в цепь источника питания. В связи с этим большой интерес представляют работы по созданию мемристивных систем с автономным питанием, состоящих из последовательно соединённых друг с другом мемристора и наногенератора, преобразующего энергию внешней среды в электрическую [1, 2]. Такая мемристивная система имеет огромный потенциал применения в аэрокосмической области и имплантируемой электронике. На данный момент уже разработаны первые мемристорные и сенсорные системы с автономным питанием на основе оксидов металлов и пьезоэлектрических наногенераторов (ПЭНГ) [2]. Основные проблемы в данной области — уменьшение размера наногенератора и согласование выходных параметров наногенератора и входных параметров мемристора. В рамках настоящей работы данные проблемы решаются путём создания мемристорной системы с автономным питанием на основе легированных азотом углеродных нанотрубок (N-УНТ).
Ранее нами были исследованы мемристивные свойства N-УНТ и показано, что нанотрубки демонстрируют воспроизводимое многоуровневое переключение с отношением сопротивлений в высоко- и низкоомном состояниях (HRS/LRS) около 4×105 [3, 4]. При этом установлено, что мемристивный эффект в N-УНТ обусловлен внедрением атомов азота в структуру нанотрубки и формированием внутреннего пьезоэлектрического поля [4]. В рамках дальнейших исследований было показано, что массив вертикально ориентированных N-УНТ является перспективным материалом для создания ПЭНГ: генерируемое выходное напряжение составляет сотни милливольт, а генерируемый единичными нанотрубками ток достигает сотен наноампер [5]. Полученные результаты позволяют говорить о возможности разработки мемристорной системы с автономным питанием либо путём последовательного соединения мемристора и ПЭНГ на основе N-УНТ.
Для оптимизации выходных характеристик ПЭНГ, в частности амплитуды генерируемого напряжения и входного напряжения переключения мемристора на основе N-УНТ, проведены исследования по увеличению пьезоэлектрического отклика и снижению напряжения переключения сопротивления N-УНТ путём изменения концентрации легирующей примеси азота в процессе роста нанотрубок. Было установлено, что для создания ПЭНГ с выходным напряжением до 2 В требуется рост N-УНТ с концентрацией легирующего азота до 12% и высоким аспектным соотношением длины к диаметру (более 60), что обеспечивается при низких температурах роста (500–550 °С) и высоком соотношении потоков ацетилена и аммиака (1:5–1:6). Для изготовления мемристоров с минимальным напряжением переключения (около 2 В), напротив, требуются N-УНТ с малым аспектным соотношением (менее 30) и концентрацией легирующего азота 4–6%, что обеспечивается повышением температуры (до 615 °С) и уменьшением времени роста. Полученные результаты могут быть использованы при разработке мемристорных и сенсорных систем с автономным питанием на основе легированных азотом углеродных нанотрубок.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ
Вклад авторов. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).
Источник финансирования. Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-79-10163 в Южном федеральном университете.
Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.
Об авторах
М. В. Ильина
Южный федеральный университет
Автор, ответственный за переписку.
Email: mailina@sfedu.ru
Россия, Таганрог
О. И. Соболева
Южный федеральный университет
Email: mailina@sfedu.ru
Россия, Таганрог
М. Р. Полывянова
Южный федеральный университет
Email: mailina@sfedu.ru
Россия, Таганрог
О. И. Ильин
Южный федеральный университет
Email: mailina@sfedu.ru
Россия, Таганрог
Список литературы
- Shi J., Wang Z., Tao Y., et al. Self-powered memristive systems for storage and neuromorphic computing // Front Neurosci. 2021. Vol. 15. P. 662457. doi: 10.3389/fnins.2021.662457
- Kim B.Y., Lee W.H., Hwang H.G., et al. Resistive switching memory integrated with nanogenerator for self-powered bioimplantable devices // Advanced Functional Materials. 2016. Vol. 26, N 29. P. 5211–5221. doi: 10.1002/adfm.201505569
- Il’ina M.V., Il’in O.I., Osotova O.I., et al. Memristors based on strained multi-walled carbon nanotubes // Diamond and Related Materials. 2022. Vol. 123. P. 108858. doi: 10.1016/j.diamond.2022.108858
- Il’ina M.V., Il’in O.I., Osotova O.I., et al. Memristive effect in nitrogen-doped carbon nanotubes // Nanobiotechnology Reports. 2021. Vol. 16, N 6. P. 821–828. doi: 10.1134/S2635167621060082
- Il’ina M.V., Il’in O.I., Osotova O.I., et al. Pyrrole-like defects as origin of piezoelectric effect in nitrogen-doped carbon nanotubes // Carbon. 2022. V. 190. P. 348–358. doi: 10.1016/j.carbon.2022.01.014
Дополнительные файлы
