КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 22-72-10027

НазваниеГибкие гибридные материалы как новый активный слой в современных устройствах записи и хранения информации

РуководительМиличко Валентин Андреевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО", г Санкт-Петербург

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2022 - 06.2025 

Конкурс№71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-203 - Поверхность и тонкие пленки

Ключевые словагибкие материалы, метал-органические каркасы, тонкие пленки, структурные превращения, резистивная память

Код ГРНТИ29.19.00

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Рынок полупроводниковых технологий, охватывающий производство микрочипов, микросхем и элементов памяти, является сегодня одним из самых активно развивающихся и проблемных. Следуя отчету международной статистической организации Statista, за последние 5 лет с 2017 года объем рынка вырос на 45% благодаря стремительному развитию технологий интернета вещей, машинного обучения, облачных технологий и виртуальной реальности, требующих специализированной инфраструктуры для обработки и хранения колоссальных объемов информации. Такое развитие становится большой проблемой для крупнейших технологических гигантов как Intel, Samsung, TSMC с точки зрения расширения производства транзисторов и флэш карт, что уже отражено в снижении объемов поставок полупроводниковых чипов крупнейшим промышленным гигантам. Ситуация и далее будет осложняться нарастающей цифровизацией общества, ростом социально-политической напряженности в мире и обострением конкурентной борьбы за природные ресурсы, включая редкие элементы, так необходимые для допирования высококачественного кремния – ключевого компонента полупроводниковой промышленности. Сохранение прежних темпов развития государств, потребляющих высокотехнологичную продукцию, такую как портативная флэш-память и наноразмерные транзисторы, может быть обеспечено как через развитие собственных полупроводниковых технологий (например, ПАО «Микрон» в РФ), так и через поиск альтернативных материалов, выступающих в качестве активного слоя в таких элементах микроэлектроники. Действительно, обработка высококачественного кремния, осуществляемая лишь ограниченным списком иностранных компаний (в основном Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. Ltd. - TSMC), допирование его редкими элементами, добываемыми в странах Африки с неучтойчивыми политическими системами, и дальнейшим производством технологическими гигантами Азии и Америки вызывает уже сейчас существенные напряженности в экономической цепочке от производителя к потребителю, а также ставит под сомнение технологическое развитие стран, не обладающих достаточной независимостью в области полупроводниковой промышленности. Сегодня становится очевидным, что использование альтернативных высоко кристалличному кремнию материалов, таких как слоистые дихалькогениды переходных металлов, полимеры и аморфный кремний, приносит свои плоды в проектировании прототипов транзисторов, микрочипов, микросхем и элементов памяти за счет упрощенной миниатюризации, сниженного энергопотребления при записи и обработки информации, а также благодаря исключению редких элементов из процесса синтеза таких материалов. Тем не менее, данные прототипы на альтернативных активных материалах остаются некоторой иллюзией и далеки от коммерческой реализации. В настоящем проекте предлагается использование новых гибридных кристаллических материалов – пористых металл-органических каркасов (подгруппа координационных полимеров) в форме тонких пленок в качестве активного слоя резистивной памяти с произвольным доступом (ReRAM, Resistive random-access memory). Использование органики и распространенных элементов таких как медь, цинк, железо, никель в процессе создания тонких пленок каркасов, с одной стороны, обеспечит независимость в производстве таких элементов памяти; с другой стороны, за счет присущей металл-органическим каркасам структурной гибкости и пористости, обеспечит низкое энергопотребление и потенциал к созданию гибких устройств микроэлектроники усилиями отдельных стран независимо от внешних факторов.

Ожидаемые результаты
Ключевым результатом реализации проекта станут физические основы создания и функционирования резистивной памяти с произвольным доступом на основе тонких пленок гибких металл-органических каркасов. В проекте предлагается развитие технологий создания высококачественных тонких пленок металл-органических каркасов известных составов (HKUST-1, UiO-66, ZIF-8) на различных проводящих/изолирующих поверхностях, включая гибкие поверхности, а также установление фундаментальных механизмов работы резистивной памяти за счет обратимых структурных преобразований активного слоя под действием прикладываемого напряжения. Создание масштабируемых жестких и гибких прототипов резистивной памяти с произвольным доступом на основе тонких пленок гибких металл-органических каркасов, во-первых, откроет новую область создания альтернативных устройств микроэлектроники в странах, испытывающих существенную зависимость от зарубежных высокотехнологических производств; во-вторых, обеспечит растущий спрос на элементы памяти с высокой плотностью записи и скоростью считывания. Ввиду активного развития данного направления в физике и физической химии (см. пункт 4.5), от конкурентов данный проект отличает фокус на поиск фундаментальных механизмов работы резистивной памяти на основе металл-органических каркасов, а также технологии создания их высококачественных пленок как активного слоя.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Согласно плану работ на первый год, были проведены синтезы тонких плёнок, а также одиночных кристаллов металл-органических каркасов состава HKUST-1 (химическая формула C18H6Cu3O12) и Zif-8 (химическая формула C8H10N4Zn). Для оценки кристаллических структур полученных материалов использовались методы Рамановской спектроскопии, порошковой рентгеновской дифракции, а также конфокальной оптической спектроскопии отражения, пропускания и z-сканирования для оценки оптических свойств пленок, которые подтвердили высокую степень кристалличности полученных материалов. Для определения толщин и косвенной оценки качества поверхности ряд тонкоплёночных структур состава HKUST-1 был проанализирован методом сканирующей электронной микроскопии (Рис. 9). В результате анализа получена корреляция циклов синтеза и фактической толщиной плёнок, что является опорной зависимостью для дальнейшего получения тонких плёнок HKUST-1. Результаты показывают, что средние толщины плёнок соотносятся с циклами синтеза следующим образом: для 100 циклов – 440 нм, для 200 циклов – 600 нм, для 300 циклов – 680 нм, для 400 циклов – 780 нм и для 500 циклов 1100 нм. Для использования материала HKUST-1 в качестве активного слоя устройств записи и хранения информации методом ReRAM была проведена серия измерения циклических вольт-амперных характеристик тонких плёнок HKUST-1 различной толщины, для установления зависимости рабочих параметров, таких как напряжение переключения сопротивления структур между двумя стабильными состояниями и количество циклов записи/перезаписи от толщины плёнки. Таким образом, полученные результаты показывают, что с ростом толщины плёнки напряжение переключение повышается с 4 В до 14 (при росте толщины с 480 нм до 1250 нм). При этом стабильность работы так же растёт с 3 циклов записи/перезаписи до 11. Данные результаты дают понимание дальнейшего направления для получения наиболее эффективного дизайна устройства записи и хранения информации ReRAM. Также для реализации реального устройства записи и обработки информации было разработано специальное ПО, которое позволяет записывать, стирать и считывать записанную информация путём измерения сопротивления отдельных точек на тонкой плёнке. Как результат работы данного ПО приводится карта распределения основных информационных составляющих Фон-Неймоновской логики – «0» и «1». Ещё одним результатом проекта на первом этапе является изучение свойства структуры HKUST-1 к обратимой дегидратации под действием термического нагрева, вызванным лазерным излучением, для проверки изменения электронной проводимости одиночных кристаллов HKUST-1 под действием лазерного излучения. В ходе ряда экспериментов выяснилось, что в момент разрыва координационных связей между каркасом и молекулами воды под действием лазерного излучения (что было изучено раннее методом комбинационного рассеяния и измерением спектра пропускания белого света) молекулы воды могут служить носителями (положительного) заряда на короткий промежуток времени, что фиксируется в виде скачка напряжения на развёртке осциллографа, включенного последовательно в измерительную цепь. Крайне примечательным и полезным с точки зрения применения в системах обработки информации является обнаруженный факт того, что без приложения внешнего поля молекулы воды выстраиваются в наиболее энергетически выгодное положения внутри пор металл-органического каркаса HKUST-1, что сопровождается скачком обратного напряжения на развёртке осциллографа, присутствующим при приложении внешнего поля значительной величины. Таким образом, можно утверждать, что в момент разрыва координационной связи, молекула воды встаёт в энергетически-выгодное положение вместе с чем создаётся нескомпенсированный дипольный момент величиной 7.72 Дебая согласно проведённым расчётом методом DFT c помощью программного пакета Avogadro. Также можно найти промежуточное значение напряжения в цепи, при котором возмущение, регистрируемое на развёртке осциллографа в момент лазерной засветке, равно нулю. Таким образом, три состояния системы в момент лазерной засветке, получаемое на развёртке осциллографа можно условно классифицировать как «+1» «0» и «-1» для создания логических систем на втором этапе реализации проекта.

 

Публикации

1. Бачинин С., Марунченко А., Жесткий Н., Гунина Е., Миличко В. Metal-organic framework single crystal infrared photodetector Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications, 101145 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.photonics.2023.101145

2. Ирина Г. Корякина, Семён В. Бачинин, Елена Н. Герасимова, Мария В. Тимофеева, Сергей А. Шипиловских, Антон С. Букатин, Александр Сахатский, Александр С. Тимин, Валентин А. Миличко, Михаил В. Зуев Microfluidic synthesis of metal-organic framework crystals with surface defects for enhanced molecular loading Elsevier Science Publishing Company, Inc., Volume 452, Part 3, 15 January 2023, 139450 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.139450