Группа российских ученых впервые в мире создала нанопереключатели на основе монокристаллов двуокиси ванадия, которые резко и обратимо изменяют свое сопротивление и при этом демонстрируют рекордную энергоэффективность. Они найдут применение в создании посткремниевой электроники и нейрокомпьютеров, работающих по принципам человеческого мозга. Результаты работы опубликованы в журнале Nanoscale.

Ранее исследователи впервые смогли создать массивы упорядоченных монокристаллов диоксида ванадия. Этот материал использовался неспроста. Он считается одним из самых перспективных для создания «искусственных мозгов», так как может очень быстро переходить из полупроводникового состояния в металлическое и обратно.

Новый переключатель, созданный исследователями из Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН и Института неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН, представляет собой нанокристалл VO₂ с двумя контактами. Первый — это внедренная в кристалл проводящая кремниевая наноигла, имеющая радиус закругления около десяти нанометров. Острота контакта обеспечивает концентрирование электрического поля и тока. Благодаря этому новому переключателю требуется очень небольшое напряжение для перехода из полупроводникового в металлическое состояние. Это обеспечивает рекордную энергоэффективность прибора, которая сравнима с эффективностью нейрона.

«Нам важно, что прибор практически весь состоит из кремния — и подложка, и наноигла, и второй контакт. Лишь нанокристалл между контактами сделан из диоксида ванадия. С помощью стандартных методов создать такую трехмерную наноструктуру невозможно, тем более что для нее нет подходящих подложек. В основе нашей разработки лежат обнаруженные ранее условия синтеза нанокристалла двуокиси ванадия на вершине кремниевой наноиглы», — отмечает один из поддержанных грантом Российского научного фонда исследователей, заведующий лабораторией ИФП СО РАН и член-корреспондент РАН Виктор Принц.

Такие нанопереключатели найдут применение в нейроморфных системах как аналоги нейронов. На данный момент плотность созданных учеными нанопереключателей — миллион на см², однако, ее можно увеличить минимум в тысячу раз. Важный параметр новых устройств — это их долговечность. На сегодняшний день они могут выдержать более 100 миллиардов переключений без изменений характеристик.