Gd0,2Ca0,8MnO3-ohutkalvolla päällystettyjen SrTiO3-sekä Si/SrTiO3- substraattien ominaisuuksien tutkimista ja vertailua mahdollisina memristiivisten laitteiden alustoina
Malmi, Anu (2024-06-04)
Gd0,2Ca0,8MnO3-ohutkalvolla päällystettyjen SrTiO3-sekä Si/SrTiO3- substraattien ominaisuuksien tutkimista ja vertailua mahdollisina memristiivisten laitteiden alustoina
(04.06.2024)
Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.
avoin
Julkaisun pysyvä osoite on:
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2024061251224
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2024061251224
Tiivistelmä
Digitaalisuuden ja sen tuoman informaation määrän kasvu on johtanut siihen, etteivät nykyiset tietokoneet enää kykene toimimaan tarpeeksi tehokkaasti. Tämän saa aikaan von Neumannin pullonkaulaksi kutsuttu ilmiö, joka johtuu datansiirron rajoittuneisuudesta suorittimen ja muistin välillä. Datan käsittely ja tallentaminen vaativat erilliset osat, mikä johtaa rajoittuneisuuteen datan siirrossa, koska ohjelma- ja datamuisti joutuvat jakamaan yhteisen väylän. Laitteen suoritusteho laskee, koska data voi liikkua väylää pitkin vain yhteen suuntaan kerrallaan. Ongelmaan on alettu etsiä ratkaisua aivojen synapsien ja neuronien toimintaa jäljittelevistä neuroverkoista, ja niiden pohjalta valmistetuista neuromorfisista tietokoneista. Tätä ajatellen memristorien tutkiminen on saanut alkunsa.
Memristorit eli muistivastukset ovat yksi elektroniikan neljästä peruskomponentista. Ne ovat passiivisia ja energiaa varastoimattomia komponentteja. Ominaisuuksiltaan ne ovat resistiivisiä kytkentöjä, jotka pystyvät säilyttämään saavuttamansa resistanssin. Niiden tapauksessa datan käsittely ja tallentaminen voisi tapahtua samassa paikassa. Tämä mahdollistaisi neuromorfisen tietojenkäsittelyn ja nykyisiä tietokoneita paljon tehokkaampien tietokoneiden kehityksen.
Tässä tutkielmassa valmistettiin ja tutkittiin mahdollisia memristoreita tekemällä Gd0,2Ca0,8MnO3 eli GCMO-ohutkalvo CSD-menetelmällä (Chemical Solution Deposition) SrTiO3 (STO)- ja Si/STO-substraattien pinnalle. GCMO on eräs siirtymämetallioksidi, joka toimii memristiivisenä aineena. Sen memristiiviset ominaisuudet perustuvat resistiivisyyden muutokseen, jonka saa aikaan hapen liikkuvuus manganiitin ja metallin rajapinnalla. Ohutkalvoilla päällystetyt näytteet kuvioitiin fotolitografiaksi kutsutun menetelmän sekä elektronisuihkuhöyrystyksen avulla. Kummankin näytteen rakennetta ja ominaisuuksia tutkittiin röntgendiffraktometrin(XRD), atomivoimamikroskoopin (AFM) sekä memristiivisten laitteiden tutkimiseen kehitetyn laiteen nimeltä ArC ONE avulla.
Tulokset olivat melko lupaavia, sillä STO-substraatin pinnalle tehtyjen kuvioiden ArC ONE-mittauksissa havaittiin kaikissa hystereesiä. Si/STO-substraatin tapauksessa tätä havaittiin vain yhdellä kuviolla. Ongelmana on kuitenkin se, että Si/STO-substraatteja on saatavana teollisessa mittakaavassa, mutta STO-substraatteja ei. XRD-mittauksissa kävi myös ilmi, että GCMO-kalvo ei ollut kasvanut Si/STO-substraatin päälle yhtä hyvin kuin STO-substraatin. Tämä saattaa johtua siitä, että CSD-menetelmä on optimoitu STO substraateille. Mahdollisia muutoksia prosessiin, muita substraatteja sekä niiden vaikutusta on hyvä tutkia tulevaisuudessa.
Memristorit eli muistivastukset ovat yksi elektroniikan neljästä peruskomponentista. Ne ovat passiivisia ja energiaa varastoimattomia komponentteja. Ominaisuuksiltaan ne ovat resistiivisiä kytkentöjä, jotka pystyvät säilyttämään saavuttamansa resistanssin. Niiden tapauksessa datan käsittely ja tallentaminen voisi tapahtua samassa paikassa. Tämä mahdollistaisi neuromorfisen tietojenkäsittelyn ja nykyisiä tietokoneita paljon tehokkaampien tietokoneiden kehityksen.
Tässä tutkielmassa valmistettiin ja tutkittiin mahdollisia memristoreita tekemällä Gd0,2Ca0,8MnO3 eli GCMO-ohutkalvo CSD-menetelmällä (Chemical Solution Deposition) SrTiO3 (STO)- ja Si/STO-substraattien pinnalle. GCMO on eräs siirtymämetallioksidi, joka toimii memristiivisenä aineena. Sen memristiiviset ominaisuudet perustuvat resistiivisyyden muutokseen, jonka saa aikaan hapen liikkuvuus manganiitin ja metallin rajapinnalla. Ohutkalvoilla päällystetyt näytteet kuvioitiin fotolitografiaksi kutsutun menetelmän sekä elektronisuihkuhöyrystyksen avulla. Kummankin näytteen rakennetta ja ominaisuuksia tutkittiin röntgendiffraktometrin(XRD), atomivoimamikroskoopin (AFM) sekä memristiivisten laitteiden tutkimiseen kehitetyn laiteen nimeltä ArC ONE avulla.
Tulokset olivat melko lupaavia, sillä STO-substraatin pinnalle tehtyjen kuvioiden ArC ONE-mittauksissa havaittiin kaikissa hystereesiä. Si/STO-substraatin tapauksessa tätä havaittiin vain yhdellä kuviolla. Ongelmana on kuitenkin se, että Si/STO-substraatteja on saatavana teollisessa mittakaavassa, mutta STO-substraatteja ei. XRD-mittauksissa kävi myös ilmi, että GCMO-kalvo ei ollut kasvanut Si/STO-substraatin päälle yhtä hyvin kuin STO-substraatin. Tämä saattaa johtua siitä, että CSD-menetelmä on optimoitu STO substraateille. Mahdollisia muutoksia prosessiin, muita substraatteja sekä niiden vaikutusta on hyvä tutkia tulevaisuudessa.