Modelagem e caracterização da comutação resistiva estocástica em nanofios Ag2S simples

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 6754 (2022) Citar este artigo

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Chaves resistivas de calcogenetos (RS), como Ag2S, mudam de resistência devido ao crescimento de filamentos metálicos entre os eletrodos ao longo do gradiente do campo elétrico. Portanto, eles são candidatos para aplicações de memória neuromórfica e volátil. Este trabalho analisou o RS de nanofios Ag2S individuais (NWs) e estendeu o modelo básico de RS para reproduzir observações experimentais. O trabalho modela a resistividade do dispositivo como uma percolação dos filamentos condutores. Também abordou flutuações contínuas da resistividade com uma mudança estocástica nas frações de volume dos filamentos no dispositivo. Como resultado, essas flutuações causam padrões imprevisíveis nas características de tensão-corrente e incluem uma mudança espontânea na resistência do dispositivo durante a varredura linear que os modelos convencionais de memristor com resistividade constante não podem representar. Os parâmetros do modelo estocástico apresentado de um único Ag2S NW foram ajustados aos dados experimentais e reproduziram as principais características do RS nos dispositivos físicos. Além disso, o modelo sugeriu uma estrutura de casca não central dos Ag2S NWs. O resultado deste trabalho visa auxiliar na simulação de grandes redes memristivas automontadas e ajudar a estender os modelos RS existentes.

Dispositivos de comutação resistivos atraem muito interesse devido a aplicações potenciais em computação neuromórfica. Ao contrário das arquiteturas de computação convencionais, os computadores neuromórficos armazenam e processam dados em um só lugar e, portanto, podem realizar cálculos massivamente paralelos com baixo custo de energia1,2,3 que não é limitado pelo gargalo de von Neumann4.

Os calcogenetos de prata ionicamente condutores são um dos materiais RS mais atraentes devido à simplicidade de sua produção. Os RS em calcogenídeos foram extensivamente estudados5,6,7,8,9,10 e já demonstraram uso potencial em aplicações neuromórficas de prova de conceito, como geração de sinal arbitrário11, processamento de fala12 e dispositivos de tomada de decisão13,14. Além disso, o baixo custo e a facilidade de produção em larga escala de Ag2S NWs oferecem uma maneira conveniente de fabricar dispositivos de computação neuromórfica por meio de automontagem aleatória11,15. Além disso, Ag2S NWs fornecem a possibilidade de fabricar circuitos neuromórficos 3D de alta densidade16,17.

A simulação in silico dos dispositivos neuromórficos oferece uma maneira conveniente de entender as propriedades desses materiais. No entanto, embora a simulação de dispositivos individuais em arquiteturas neuromórficas cross-bar array produza resultados reprodutíveis18, a simulação confiável de redes memristivas montadas aleatoriamente ainda não foi relatada. Ruído e mudança de fase imprevisível em dispositivos individuais representam os principais obstáculos na simulação de dispositivos neuromórficos aleatórios e automontados. Em particular, as características de RS de Ag2S NWs exibem ruído19,20 e comportamento não linear que não pode ser totalmente explicado por um modelo simples de memristor de filme fino proposto pela primeira vez por Strukov et al.21.

A modelagem de grandes redes de nanofios RS, como Ag2S NW, pode ser melhorada pela compreensão da morfologia do material e suas propriedades dinâmicas. Existem vários polimorfos de Ag2S que existem em uma estreita faixa de temperatura. Por exemplo, acantita Ag2S-\(\alpha\) é um polimorfo de baixa temperatura com uma estrutura cristalina monoclínica que é estável até ~450 K22. Acima de 450 K e até ~860 K Ag2S está na fase argentita Ag2S-\(\beta\) com uma rede bcc ordenada de átomos de enxofre e íons Ag+ que ocupam parcialmente os sítios tetraédricos e octaédricos, o que lhe confere excelente mobilidade iônica e maior condutividade elétrica22 ,23,24,25.

Além da temperatura, a transformação entre acantita e argentita também pode ser induzida por um campo elétrico externo que apresenta histerese na relação corrente x tensão5,24. No entanto, diferentemente dos dispositivos RS de óxido de metal de transição26,27, a corrente nos dispositivos Ag2S exibe consideravelmente mais instabilidade e ruído relacionado à instabilidade dos filamentos de Ag e aquecimento Joule5,6. Recentemente, foi relatado que o ruído no Ag2S segue um padrão 1/f causado por defeitos pontuais dinâmicos nos filamentos metálicos causando instabilidade temporal19,20. Essa observação motivou a exploração do modelo aqui descrito, no qual aproximamos os efeitos térmicos com parâmetro estocástico que controla a fração volumétrica em um modelo de percolação dos filamentos no Ag2S NW e, portanto, simula os efeitos do aquecimento Joule.