Мемристорные и мультиферроидные материалы для устройств наноэлектроники

Отчет содержит 137 с., 99 рисунков, 10 таблиц, 133 источника литературы. Ключевые слова: сегнетоэлектрики, мультиферроики, квантовые параэлектрики, тонкие пленки, наноструктурированные материалы, топологические возбуждения, фазовые переходы, кристаллическая структура, динамика решетки Объекты исследования: Гетероструктуры сегнетоэлектрик/параэлектрик, сегнетоэлектрик/мультиферроик, наноструктурированные сегнетоэлектрические материалы, квантовые параэлектрики на основе титаната стронция Цели работы: Целью данного проекта является разработка инновационной материальной базы на основе мультиферроидных и сегнетоэлектрических материалов для создания технологий в вычислительных сетях нового поколения, преодолевающих принципиальные трудности присущие стандартной компьютерной архитектуре, связанные с увеличением быстродействия, уменьшением диссипации энергии, и выходом за рамки детерминистической фон-Неймановской архитектуры. Методы исследования (Оборудование ЦКП ЮФУ): Сканирующий электронный микроскоп Zeiss SUPRA 25, Атомно-силовой микроскоп NtegraTherma NT-MDT; Микро-рамановский спектрометр Renishaw inVia Reflex; криостат для микро-КРС исследований Linkam THMS600; печь для микро-КРС исследований Linkam TS1500; Рентгеновский дифрактометр Rigaku Ultima IV; Измерительный стенд на базе LCR-метра Agilent 4980A; Стенд для диэлектрических измерений на основе TF Analyzer 2000. Основные научные результаты и перспективы их использования: С использованием метода фазово-полевого моделирования и аналитических вычислений построена фазовая диаграмма отклика поляризационных состояний сегнетоэлектрического слоя на внешнее поле в зависимости от толщины слоя. С учетом полученных результатов моделирования предложена конструкция полевого транзистора на основе сегнетоэлектрических доменов со стабильной обратимой статической отрицательной емкостью. Показано, что достигаемые значения энергоэффективности такого транзистора значительно превосходят существующие полупроводниковые аналоги. Изучены фазовые состояния тонких пленок сегнетоэлектрика титаната бария, выращенных на подложках оксида марганца с использованием буферных слоев мультиферроика, в широком диапазоне температур и эпитаксиальных напряжений, что позволило корректно интерпретировать экспериментальные данные, полученные в проекте. Проведено всестороннее изучение эпитаксиальных гетероструктур на основе сегнетоэлектрика титаната бария и мультиферроика феррита висмута с помощью взаимодополняющих экспериментальных методик, таких как рентгеноструктурный анализ, спектроскопия комбинационного рассеяния света, сканирующая электронная, диэлектрическая и пьезосиловая микроскопия. Показано, что тонкопленочные материалы, изученные в ходе проекта, обладают мемристорными свойствами и представляют потенциальный интерес для разработки переключателей, используемых в построении нейроморфных систем и имитирующих поведение биологических нейронов и синапсов. На основе этих материалов можно реализовывать небинарные архитектуры нейроморфных процессоров, предназначенных для распознавания речи, изображений, жестов. С помощью рентгеноструктурного анализа изучена кристаллическая структура квантового параэлектрика на основе титаната стронция с малыми примесями ионов свинца. В квантовых параэлектриках изучены температурная зависимость диэлектрической проницаемости и динамика кристаллической решетки в широком интервале температур и установлены особенности квантовых флуктуаций. Предложен способ использования квантовых флуктуаций в квантовом параэлектрике для создания кубитов. Проведено техническое усовершенствование установки для роста эпитаксиальных гетероструктур для осуществления измерений температуры подложки и толщины слоев гетероструктур, и возможности распыления нескольких стехиометрических составов.