Исследователи из Университета Южной Калифорнии продемонстрировали новый тип электронного чипа памяти, способный надежно работать при температурах, достигающих 700 градусов Цельсия, что значительно превышает пределы возможностей традиционной электроники.
В ходе испытаний чип памяти не показал признаков достижения своего эксплуатационного предела, при этом исследователи отметили, что отметка в 700 градусов Цельсия была просто максимальной температурой, которую могло обеспечить их испытательное оборудование.
Электроника, используемая в смартфонах, автомобилях, спутниках и промышленных системах, имеет фундаментальное ограничение: тепло. Большинство обычных электронных компонентов начинают выходить из строя при температурах около 200 градусов Цельсия, что создает серьезную проблему для инженеров, работающих в экстремальных условиях, таких как освоение космоса, геотермальное бурение и ядерные энергетические системы.
«Это можно назвать революцией. Это лучшая высокотемпературная память из когда-либо продемонстрированных», — заявил Джошуа Янг, исследователь, участвовавший в работе.
Разработанное исследовательской группой устройство представляет собой мемристор — компонент наноразмерного масштаба, который способен как хранить информацию, так и выполнять вычислительные операции. Его структура состоит из двух электродных слоев с тонким слоем керамики между ними. Команда создала мемристор, используя вольфрам в качестве верхнего электрода, оксид гафния в качестве керамической прослойки и графен в качестве нижнего электрода. Вольфрам был выбран из-за его самой высокой температуры плавления среди всех металлов, в то время как графен, представляющий собой однослойную решетку атомов углерода, способен выдерживать экстремально высокие температуры без разрушения.
Полученный чип памяти продемонстрировал впечатляющие характеристики. Он удерживал данные более 50 часов при температуре 700 градусов Цельсия без необходимости обновления. Кроме того, он выдержал более миллиарда циклов переключения при этой же температуре и работал при напряжении всего 1,5 вольта со скоростью переключения, измеряемой десятками наносекунд.
Как отмечают ученые, это открытие было сделано во многом случайно. В обычных электронных устройствах под воздействием тепла атомы металла из верхнего электрода мигрируют через керамический слой, в конечном итоге достигая нижнего электрода и создавая необратимое соединение, что приводит к короткому замыканию и выходу устройства из строя. Однако графен предотвратил этот процесс. Поверхностная химическая связь между вольфрамом и графеном не позволила атомам вольфрама прикрепляться к слою графена. Не имея точки фиксации, атомы мигрировали дальше, вместо того чтобы образовывать короткое замыкание, что предотвращало отказ устройства даже при экстремальных температурах.
Способность обеспечивать работу электроники при температурах выше 500 градусов Цельсия давно является целью для космических агентств, особенно в контексте миссий к Венере, где поверхностные температуры исключительно высоки, а современная кремниевая электроника выходит из строя задолго до достижения этих значений. Помимо освоения космоса, эта технология может найти применение в системах геотермального бурения, ядерной энергетике и в промышленных средах, где электроника вынуждена функционировать в непосредственной близости от мощных источников тепла. Даже в повседневных приложениях, таких как автомобильная электроника, устройства, рассчитанные на экстремальные температуры, будут значительно надежнее при обычных условиях эксплуатации.
Мемристор также обладает потенциалом для применения в области искусственного интеллекта. Многие операции ИИ основаны на матричном умножении — процессе, который потребляет огромное количество энергии в обычных цифровых компьютерах. Мемристоры могут выполнять эти вычисления физически, посредством своего электрического поведения, что потенциально обеспечивает более быструю и энергоэффективную обработку данных для систем искусственного интеллекта.