Al/GCMO-memristorien resistiivisten ominaisuuksien pinta-alaskaalautuvuus eri Ca-konsentraatioilla - Dunder, Frans (My University, 2026)
Perinteisten tietokoneiden von Neumann -arkkitehtuuri aiheuttaa haasteita energiatehokkuudelle ja datansiirron viiveille datamäärien ja laskentatehon vaatimusten kasvaessa. Samanaikaisesti fysiikan lakien asettamat rajat transistorien pienentämiselle ovat luoneet tarpeen uudenlaisille laskenta-arkkitehtuureille. Biologisten aivojen energiatehokasta rinnakkaista laskentaa emuloivat neuromorfiset arkkitehtuurit ovat nousseet potentiaaliseksi vaihtoehdoksi tulevaisuuden dataintensiivisiin sovelluksiin. Neuromorfisten arkkitehtuurien yleistymisen kannalta on kriittistä, että neuroverkkojen keinotekoisina synapseina ja neuroneina toimivat komponentit ovat luotettavia, sekä skaalattavissa laajempiin systeemeihin. Tässä tutkielmassa analysoidaan memristoreja eli muistivastuksia, jotka mahdollistavat esimerkiksi fyysisissä neuroverkoissa synaptisten painoarvojen analogisen tallentamisen. Perovskiittirakenteisiin mangaanioksideihin perustuvat memristorilaitteet ovat nousseet lupaaviksi ehdokkaisi tällaisiin sovelluksiin niiden analogisen, metalli-oksidi-rajapinnassa tapahtuvan resistiivisen kytkentämekanismin ansiosta. Tässä työssä tutkimuksen kohteena olivat Al/Gd(1-x)Ca(x)MnO(3) (GCMO)-rajapintaan perustuvat memristorit, joissa resistiivinen kytkentä (RS) perustuu kidehilan happivakanssien liikkeeseen ja oksidikerroksen efektiivisen paksuuden hallintaan. Työn tavoitteena oli selvittää kokeellisesti, miten GCMO-ohutkalvon kalsiumpitoisuus x ja komponentin fyysinen koko vaikuttavat laitteiden sähköisiin ominaisuuksiin ja memristiiviseen suorituskykyyn. Kokeellisessa osiossa valmistettiin laserhöyrystyksellä (PLD) viisi eri kalsiumpitoisuutta 0,70 ≤ x ≤ 0,95 sisältävää näytettä SrTiO(3) (STO)-substraateille. Komponentit kuvioitiin puhdastilassa optisella litografialla ja kemiallisella etsauksella erikokoisiksi (25 × 25 µm² – 300 × 300 µm²), ja laitteiden elektrodit valmistettiin pinnoittamalla elektronisuihkuhöyrystystä käyttäen. Ohutkalvojen kiderakenne tarkastettiin röntgendiffraktiolla (XRD). Kalvojen pinnankarkeudet ja paksuudet mitattiin atomivoimamikroskopialla (AFM). Valmiiden memristorien sähköisiä ja memristiivisiä ominaisuuksia mitattiin Keithley- ja ArC ONE -mittausalustoilla. Tulokset osoittivat, että resistiivisen kytkennän ominaisuuksien kannalta optimaalinen kalsiumsubstituutioaste GCMO:lle on välillä 0,80 ≤ x ≤ 0,90. Kestävimmät resistanssitilat todellisia sovelluksia varten havaittiin konsentraatiolla x=0,90. Kaikilla tutkituilla kalsiumpitoisuuksilla x=0,70 lukuunottamatta laitteiden resistanssit skaalautuvat laitteen pinta-alan käänteisluvun funktiona, mikä viittaa rajapintatyyppiseen RS-mekanismiin. Konsentraatiolla x=0,70 RS-mekanismi on poikkeava, ja viittaa koko rajapinnan sijaan paikallisesti tapahtuvaan kytkentään.
Keywords: memristori; resistiivinen kytkentä; GCMO; neuromorfinen laskenta; ohutkalvo; manganiitti