درک بهتر عملکرد ادوات نانوالکترونیک پیش از ساخته شدن آنها
این جایگزین احتمالی حافظه‌های معمول در حالیکه انرژی کمتری مصرف می‌کند، حافظه‌ای با ظرفیت بیشتر و سرعت بالاتر ارائه می‌کند.
«سلول‌های فلزپوش» الکترومکانیکی به سرعت در حال تغییر از مقاومت بالا به مقاومت پایین هستند، دقیقا همانند یک عملیات دو حالته که می‌تواند برای نشان دادن صفر و یک در کد باینری مورد نیاز برای انجام دستورات نرم افزاری و ذخیره اطلاعات در رایانه‌ها مورد استفاده قرار بگیرد.
پژوهشگران دانشگاه پردیو روش جدیدی برای شبیه‌سازی فرآیندهای الکتروشیمیایی حاکم بر عملکرد با جزئیات مربوط به اتم ابداع کردند. آنها از این مدل برای شبیه‌سازی عملکرد نوعی از سلول‌های مقاومت متغیر استفاده کردند که به آنها «سلول‌های پل‌زن رسانا» نیز گفته می‌شود.
آلخاندرو استراچان، استاد مهندسی مواد در دانشگاه پردیو می‌گوید: «با وجود اهمیت فوق‌العاده سلول‌های پل‌زن رسانا، مکانیسم حاکم بر خواص ویژه آنها تا به امروز به درستی درک نشده است و این باعث محدود شدن توانایی ما در ارزیابی عملکرد نهایی و قابلیت تجاری‌سازی آنها می‌شود. در حال حاضر، درک مکانیستی در سطح اتمی فرآیند تغییر مقاومت راهبرد جدیدی برای بهینه‌سازی مواد فراهم می‌کند.»
سلول‌های مقاومت متغیر می‌توانند به عنوان جایگزین احتمالی حافظه‌های غیر فرار فعلی که دیگر به محدودیت‌های فناوری خود رسیده‌اند در نظر گرفته شوند و همچنین می‌توانند در کاربردهای مدار‌های منطقی نیز مورد استفاده قرار بگیرند. استراچان در ادامه می‌گوید: «سلول‌های پل‌زن رسانا می‌توانند در قالب چند نانوثانیه تغییر وضعیت دهند لذا عملکرد فوق‌العاده سریعی خواهند داشت. این سلول‌ها بسیار کوچک هستند که احتمالا ساخت حافظه‌های رایانه‌ای قوی‌تر و فشرده‌تری با آنها ممکن خواهد شد.»
جزئیات یافته‌های این تحقیق در طی یک مقاله پژوهشی در مجله نیچر متریالز منتشر شد. این مقاله توسط محقق فوق دکترای دانشگاه پردیو، نیکولاس اونافریو، دانشجوی فارغ‌التحصیل کارشناسی ارشد، دیوید گازمن و استراچان نوشته شده بود.
این دستگاه شامل دو الکترود فلزی است که توسط یک دی‌الکتریک یا مواد عایق از هم جدا شده‌اند. زمانی که ولتاژی به آن اعمال می شود، الکترود فعال که از جنس مس ساخته شده است، در دی‌الکتریک حل می‌شود و یون‌ها به سمت الکترود غیر فعال شروع به حرکت میکنند. این یون‌ها در نهایت یک رشته رسانا ایجاد میکنند که دو الکترود را به هم متصل می‌کند و در نتیجه مقاومت الکتریکی را کاهش می‌دهد. هنگامی که ولتاژ معکوس می‌شود، رشته رسانا می‌شکند و دستگاه به حالت مقاومت بالا سوییچ می‌کند.
پژوهشگران برای اولین بار توانستند آنچه را که در اندازه و رژیم زمانی نانومقیاس برای دستگاه اتفاق می‌افتد شبیه‌سازی کنند و اطلاعات جدیدی در مورد چگونگی تشکیل رشته‌های رسانا و شکستن آنها به دست آورند. این یافته‌ها نگرش جدیدی به واکنش‌های الکتروشیمیایی منجر شونده به تشکیل رشته‌ها و فروپاشی آنها ایجاد می‌کند و عملکرد فوق سریع مشاهده شده در دستگاههای بزرگتر آزمایش‌های قبلی که با سرعتی معادل چند نانوثانیه سوییچ می‌کردند را پیش‌بینی می‌کند.
نوآوری چنین شبیه سازی پیشرفته‌ای این است که رفتار دقیق و عملکرد دستگاههای جدید را قبل از ساخته شدن آنها پیش‌بینی می‌کند، که از اهداف شرکت آمریکایی متریالز ژنوم اینیشییتیو تاسیس شده در سال 2011 است.
استراچان درباره این شرکت می‌گوید: «هدف متریالز ژنوم اینیشییتیو کشف، توسعه و استقرار موادی با سرعت دو برابر و قیمت نصف است. در حال حاضر 20 سال از زمانی که ما ماده را در آزمایشگاه کشف کرده‌ایم تا زمانی که آن را در یک محصول به کار گرفته‌ایم می‌گذرد که مدت زمانی بیش از حد طولانی است. ما پیش‌بینی می‌کنیم که دهه‌های بعدی با مشارکت شبیه‌سازی چند مقیاسی و آزمایش‌های منجر شونده به بهره بزرگ در عملکرد و کاهش در زمان و هزینه‌های توسعه، شاهد انقلاب عظیمی خواهند بود.»
این پژوهش در مرکز فناوری نانو بریک واقع در پارک اکتشافی دانشگاه پردیو در حال انجام است و به شبکه نانوفناوری محاسباتی که مرکزی برای پیش‌بینی ویژگی‌های مواد و دستگاه‌ها است ملحق شده است. شبیه سازی‌های این پروژه با استفاده از ابررایانه‌های فناوری اطلاعات بخش محاسبات پژوهشی دانشگاه پردیو انجام می‌شوند.
این کار توسط مرکز «فیم»، یکی از شش مرکز STARnet، یک شرکت تحقیقاتی نیمه‌رسانا با حمایت مالی MARCO و DARPA و وزارت امنیت هسته‌ای ملی انرژی آمریکا مورد حمایت قرار گرفته است.
از جمله کارهای آتی در این پروژه، پژوهش برای پیدا کردن مواد بهتر برای دستگاه‌ها خواهد بود.
ممریستور (Memristor)
حافظه رَم به صورت ذاتی پس از قطعی جریان، به طور کامل پاک می‌شود. با این حال در سال ۱۹۷۱ ایده حفظ حافظه به صورت تئوری مطرح شد و این پدیده در سال ۲۰۰۸ به عمل انجامید. ممریستور یا مموری رزیستور یک عضو الکتریکی دارای دو ترمینال است که در آن یک ارتباط کاربردی بین بار الکتریک و شار مغناطیسی برقرار است.
وقتی جریان از یک جهت وارد این وسیله شود مقاومت الکتریکی افزایش می‌یابد و وقتی جریان از جهت مخالف آن وارد شود مقاومت کاهش می‌یابد. اما زمانی که جریان متوقف شود این بخش مدار آخرین مقاومتی را که داشته است حفظ می‌کند و وقتی دوباره جریان بار شروع شود، مقاومت مدار به اندازه آخرین زمان فعالیت خواهد بود. این وسیله یک عملگر مقاومتی با مقاومت تقریبا خطی است.
ممریستور از لحاظ نظری توسط شن چوا در مقاله‌ای که در سال ۱۹۷۱ منتشر شد فرمول‌بندی و نامگذاری شد. در سال ۲۰۰۸ یک گروه در آزمایشگاه HP تولید یک ممریستور متغیر بر پایه لایه‌های نازک را اعلام کردند. ممریستور برای به کارگیری در حافظه‌های نانوالکتریک و ساختارهای نئومرفیک رایانه استفاده می‌شود. در مقاله ۱۹۷۱، چوا مفهومی بین مقاومت و القاگر-خازن را دریافت و ایده ساده و اساسی، مشابه ابزاری مانند ممریستور را از آن الهام گرفت. هرچند رابطه بین ولتاژ و جریان در ممریستور مانند واریستور خطی نیست، اما دانشمندان دیگر هم قبل از او روابط غیر خطی برای شار بار الکتریکی بیان کرده بودند ولی نظریه چوا فراگیرتر بود. مقاومت ممریستور به قسمت صحیح ورودی که به ترمینال آن داده می شود، وابسته است (برخلاف واریستور که به مقدار لحظه ای ورودی بستگی دارد) پس از آن این بخش مدار میزان جریانی که از آن گذاشته است را به یاد می آورد. به عبارت دیگر ممریستور عضوی خنثی از مدار و داراری دو ترمینال است که بتواند رابطه تابعی از جریان بر حسب زمان و ولتاژ بر حسب زمان را حفظ کند. تعریف ممریستور به طور خاص بر پایه متغیرهای اصلی مدار یعنی جریان و ولتاژ و رابطه آنها با زمان، درست مانند مقاومت، خازن و القاگر است. برخلاف این سه بخش مدار(مقاومت، القاگر و خازن) که می‌توانند مقادیر ثابت نسبت به زمان داشته باشند رابطه ممریستور غیرخطی بوده و می‌تواند به صورت تابعی از متغیر مدار یعنی جریان بار خالص بیان شود.
چیزی به عنوان ممریستور استاندار وجود ندارد و حتی گونه ای از ممریستور، یک مقاومت ساده است. مانند سایر اجزای دو سره مدار (خازن و مقاومت و القاگر) ممریستور ایده‌آل نیز وجود ندارد، بلکه در حد کمی خاصیت مقاومتی، خازنی و القاگری در آن وجود دارد.
No tags for this post.
