Voltage-Controlled Phosphate Precipitation Gating in Solid-State Nanopore Memristors

Stel je een piepkleine tunnel voor, zo klein dat er slechts enkele moleculen tegelijk doorheen kunnen passen, uitgehouwen in een solide plaat materiaal. Binnen deze microscopische passage stroomt een vloeistof die opgeloste deeltjes met zich meevoert. Wanneer wetenschappers een spanning over deze tunnel aanleggen, kunnen ze deze deeltjes laten bewegen, verzamelen of zelfs aan elkaar laten plakken om een solide blokkade te vormen. Dit is de wereld van de nanofluidica, waar onderzoekers proberen elektronische apparaten te bouwen die meer lijken op het menselijk brein dan een traditionele computer. In plaats van elektronen te gebruiken om informatie op te slaan, gebruiken deze apparaten ionen — de geladen atomen die in water zijn opgelost — om een geheugen te creëren. Het kernidee is dat het apparaat zijn verleden onthoudt omdat de ionen een fysiek spoor achterlaten, zoals een voetstap in nat zand, dat de manier waarop elektriciteit later gemakkelijk door de tunnel kan stromen, verandert. Als wetenschappers dit proces betrouwbaar kunnen beheersen, zouden ze energiezuinige computers kunnen creëren die leren en zich aanpassen, waarbij ze de manier waarop biologische neuronen functioneren nabootsen.

Een team van onderzoekers probeerde onlangs precies te begrijpen hoe ze dit "voetafdrukproces" in een specif kind type apparaat konden beheersen. Ze bouwden een systeem bestaande uit een solide plaat met kleine gaatjes, die twee vloeistofreservoirs van elkaar scheiden. Aan de ene kant bevond zich een oplossing met calcium, en aan de andere kant een oplossing met fosfaat. Wanneer ze een spanning aanlegden, werden de calcium- en fosfaationen in de kleine gaatjes getrokken. Als de omstandigheden precies goed waren, kwamen de calcium- en fosfaationen samen en vormden ze direct een vaste kristal, wat het gat effectief verstopt en de stroom van elektriciteit stopt. Wanneer ze de spanning omdraaiden, loste het kristal op en werd het gat weer geopend. Deze cyclus van verstoppen en ontstoppen werkt als een geheugenschakelaar. De onderzoekers wisten echter dat het simpelweg laten vormen van het kristal niet genoeg was; ze moesten begrijpen hoe factoren zoals de zuurgraad van de vloeistof, de hoeveelheid beschikbare ingrediënten en de grootte van het gat deze delicate dans van verstoppen en vrijmaken beïnvloedden.

Om dit te onderzoeken, construeerden de wetenschappers twee verschillende soorten apparaten om ze zij aan zij te vergelijken. Het eerste was een enkele, geïsoleerde tunnel met een diameter van 250 nanometer. Het tweede was een klein rooster met negen van dezezelfde tunnels, gerangschikt in een drie-bij-drie patroon. Ze testten beide apparaten door de zuurgraad van de vloeistof te veranderen, de concentratie fosfaat te variëren en de snelheid en sterkte van de elektrische pulsen aan te passen die ze door het systeem stuurden. Ze wilden zien of het hebben van negen tunnels die samenwerkten het geheugeneffect soepeler en betrouwbaarder zou maken, of dat een enkele tunnel een meer gevoelige, zij het grillige, respons zou bieden.

De resultaten toonden een duidelijk verschil tussen de enkele tunnel en de groep. Wanneer de onderzoekers de zuurgraad van de vloeistof veranderden, reageerde de enkele tunnel op een grillige, onvoorspelbare manier. Het vermogen van de tunnel om tussen open en gesloten toestanden te schakelen fluctueerde wild afhankelijk van de exacte chemische omstandigheden; soms werkte het goed en soms reageerde het helemaal niet. In contrast hiermee gedroeg de negen-tunnel-array zich met veel grotere consistentie. Omdat de negen tunnels samenwerkten, werden hun individuele eigenaardigheden voor elkaar uitgebalanceerd, wat resulteerde in een soepele en stabiele respons die geleidelijk veranderde naarmate de chemie verschoof. Dit suggereert dat hoewel een enkele tunnel zeer gevoelig is voor zijn directe omgeving, een groep van hen de ruis middelt, waardoor een stabieler geheugendevice ontstaat, hoewel deze stabiliteit ten koste gaat van de lokale responsamplitude.

Het team onderzocht ook hoe de hoeveelheid fosfaat in de oplossing de invloed op het geheugen beïnvloedde. Ze ontdekten dat het simpelweg toevoegen van meer fosfaat de werking van het apparaat niet in een rechte lijn verbeterde. Bij de enkele tunnel zorgde het verhogen van de fosfaatconcentratie ervoor dat het geheugeneffect op een niet-lineaire manier op en neer sprong, met een plotselinge verandering in gedrag tussen specifieke lage en medium concentraties. De negen-tunnel-array vertoonde echter een veel geleidelijker en voorspelbaarder verschuiving. Dit gaf aan dat te veel of te weinig bouwstenen ertoe kon leiden dat de enkele tunnel permanent verstopt raakte of helemaal niet zou verstoppen, terwijl de array een breder scala aan omstandigheden kon verwerken zonder uit elkaar te vallen.

Ten slotte testten de onderzoekers de apparaten door een reeks snelle elektrische pulsen te sturen om te zien of de geheugenstatus herhaaldelijk gelezen en geschreven kon worden. Ze ontdekten dat de enkele tunnel vaak grillige resultaten produceerde, waarbij de staat soms onverwacht versprong of niet terugkeerde naar de oorspronkelijke conditie. De negen-tunnel-array behield daarente daarentegen een consistenter patroon van gedrag over vele verschillende pulssequenties, vooral bij hogere fosfaatconcentraties waar het een betrouwbare positieve eindrespons produceerde. De onderzoekers concludeerden dat de negen-tunnel-opstelling meer consistente reacties produceerde onder de geteste omstandigheden, hoewel ze opmerkten dat de huidige dataset niet de volledige validatielagen bevatte — zoals langetermijnendurance of cyclusstatistieken — die nodig zijn om definitief aanspraak te maken op superieure stabiliteit voor praktische geheugenapplicaties. Ze merkten ook op dat hoewel de array consistenter was, deze nog steeds gevoelig was voor extreme omstandigheden; te veel fosfaat of een te sterke elektrische puls kon er nog steeds toe leiden dat het systeem vastliep of zijn vermogen om te resetten verloor.

Dit werk geeft een duidelijker beeld van hoe deze ion-gebaseerde geheugendeVICES gebouwd kunnen worden. Het laat zien dat hoewel een enkele nanoscale tunnel een fascinerend laboratorium is voor het observeren van chemische reacties, een klein array van hen meer consistente reacties produceerde onder de geteste omstandigheden. De studie bevestigt dat het geheugeneffect in deze apparaten niet alleen een simpele aan-uit schakelaar is, maar een complexe wisselwerking tussen chemie en geometrie. Door te begrijpen hoe het aantal tunnels en de chemische omgeving met elkaar interageren, kunnen wetenschappers beter de volgende generatie brein-achtige computers ontwerpen die informatie opslaan in de fysieke staat van de materialen zelf.