Создан тонкоплёночный материал с гигантским снижением сопротивления для ИИ-чипов

Снижение удельного сопротивления в 3D и слоистом перовските. Простой нагрев на воздухе позволил команде обнаружить снижение сопротивления более чем в сто раз в новом слоистом перовскитном материале по сравнению с обычным трёхмерным материалом. Автор: Tokyo Metropolitan University

Исследователи из Столичного университета Токио разработали новый атомарно-слоистый материал, удельное сопротивление которого при окислении снижается на пять порядков величины. Это более чем в сто раз превышает снижение, наблюдаемое в аналогичных не-слоистых материалах.

Проанализировав структуру, команда обнаружила синергию между окислением и структурной модификацией, которая вызывает драматические изменения физических свойств. Новый материал обещает создание более энергоэффективных устройств следующего поколения, таких как мемристоры для вычислений в системах искусственного интеллекта.

Работа опубликована в журнале Chemistry of Materials.

Пока искусственный интеллект революционизирует науку, промышленность и общество, происходит тихая революция в разработке материалов следующего поколения для создания чипов и устройств, необходимых для удовлетворения растущего спроса на вычислительную мощность. Особое внимание уделяется материалам для мемристоров — электронных элементов, которые кодируют «память» о предыдущих состояниях. Напоминая синапсы в мозге, они могут найти применение в новых ИИ-чипах.

Одним из ключевых требований является возможность произвольного значительного изменения удельного сопротивления. Команда под руководством доцента Дайчи Ока из Столичного университета Токио работала с оксидными материалами переходных металлов, которые, как известно, испытывают снижение сопротивления при окислении.

Используя технологию импульсного лазерного напыления (PLD), команда успешно создала высококачественную тонкослойную кристаллическую плёнку Sr₃Cr₂O_7−δ, так называемую перовскитную структуру, из-за её сходства с одноимённым минералом.

Просто обработав плёнку нагревом на воздухе, они обнаружили, что удельное сопротивление снизилось на пять порядков величины. Это более чем в сто раз превышает ожидаемый показатель для аналогичного материала SrCrO₃, который не является слоистым, а имеет трёхмерную структуру.

Чтобы понять причину этого явления, команда углубилась в изучение кристаллической структуры. Материал содержал большое количество кислородных вакансий — мест в структуре, которые должны быть заняты атомами кислорода. При нагреве и отжиге плёнки кислород проникал в неё, что приводило к изменению структуры.

Природа атомов хрома, или их «степень окисления», также менялась одновременно. Интересно, что исследователи обнаружили, что структурные изменения в слоистой плёнке и её трёхмерном аналоге различались.

Они пришли к выводу, что синергия между изменениями в структуре плёнки и сдвигом в степени окисления хрома создала сценарий, при котором электроны проводимости могли гораздо легче проходить через материал.

Хотя работа была сосредоточена на одном материале, комбинация окисления и слоистой атомной структуры представляет собой новый принцип проектирования, с помощью которого может быть создан целый ряд других плёнок.

Команда надеется, что их метод вдохновит на новые направления исследований и материалы для мемристоров, а также для энергоэффективных передовых чипов, которые обеспечат будущие вычислительные революции.

Мемристоры, устройства, сопротивление которых зависит от истории пропущенного через них заряда, рассматриваются как ключевой элемент для создания нейроморфных компьютеров, имитирующих работу человеческого мозга. Открытие японских учёных может значительно ускорить разработку таких систем, сделав их более практичными и доступными.

Больше информации: Zhaochen Ma et al, Oxidation-Induced Giant Resistivity Change Associated with Structural and Electronic Reconstruction in Layered Sr₃Cr₂O_7−δ Epitaxial Thin Films, Chemistry of Materials (2025). DOI: 10.1021/acs.chemmater.5c00810

Источник: Tokyo Metropolitan University