Современная кремниевая электроника имеет жесткий температурный предел, обычно не превышающий 200 градусов. Преодоление этого барьера десятилетиями считалось одной из самых сложных инженерных задач. Команда под руководством профессора Джошуа Янга представила наноразмерный компонент, который не просто выдержал нагрев до уровня расплавленной лавы, но и продемонстрировал исключительную надежность. Работа опубликована в журнале Science.
Создан чип памяти, который выдерживает температуру кипящей лавы
Исследователи из Университета Южной Калифорнии разработали устройство памяти по технологии мемристора, способное стабильно работать при экстремальной температуре 700 градусов Цельсия. Это открывает путь к созданию бортовых компьютеров для миссий на Венеру, глубокого бурения и систем управления ядерными реакторами.
Температура лавы около 700 градусов. Unsplash
Мемристор. Мемристор — это четвертый фундаментальный элемент электрической цепи (наряду с резистором, конденсатором и катушкой индуктивности), чье сопротивление зависит от заряда, который через него пропустили. Мемристор «помнит» свое состояние даже после отключения питания. При высоких температурах тепло хаотично перемещает заряды, стирая память, но использование графена создало непреодолимый физический барьер для такой деградации.
Высокотемпературные мемристоры.
Устройство сохранило данные в течение 50 часов и выдержало более миллиарда циклов переключения. Фактически 700 градусов стали пределом не для самого чипа, а для испытательного оборудования лаборатории. Чип был готов работать и дальше. Конструктивно мемристор представляет собой трехслойную структуру: верхний электрод из вольфрама, обладающего самой высокой температурой плавления среди металлов, средний слой из оксида гафния и нижний слой из графена.
«Вы можете назвать это революцией. Это лучшая высокотемпературная память из когда-либо продемонстрированных», — подчеркнул Джошуа Янг, комментируя значимость открытия.
Секрет графенового барьера
Причиной выхода из строя обычных микросхем при нагреве является миграция атомов металла. В стандартных устройствах тепло заставляет атомы электродов просачиваться сквозь изолятор, что приводит к короткому замыканию.
Графен.
В новой разработке ключевую роль сыграл графен — слой углерода толщиной в один атом. Исследователи обнаружили, что атомы вольфрама не могут закрепиться на поверхности графена из-за особенностей их химического взаимодействия. Не имея возможности «бросить якорь», атомы металла не создают мостиков проводимости, которые могли бы разрушить устройство.
Это случайное открытие, подтвержденное квантовым моделированием и электронной микроскопией, позволяет использовать новую архитектуру не только для хранения данных, но и для энергоэффективных вычислений в области искусственного интеллекта, реализованных на мемристорах.