КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 23-23-00490
НазваниеВертикальные гетероструктуры для нейроморфных применений. Теоретическое исследование
РуководительСуханова Екатерина Владимировна,
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля Российской академии наук, г Москва
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2023 г. - 2024 г. |
Конкурс№78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».
Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-701 - Структура и свойства органических и гибридных функциональных материалов
Ключевые словаГетероструктуры, ТФП, VASP, монослои, 2D наноматериалы, электронные свойства, механические свойства, управление свойствами, управление дефектами
Код ГРНТИ31.15.00
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Разработка многофункциональных искусственных нейронных систем, биомимекрирующих устройство и отдельные функции человеческого мозга, крайне необходима для повсеместного внедрения технологий искусственного интеллекта, без которых невозможно представить ни одну современную сферу деятельности человека. Развитие нейроморфных систем является одним из приоритетных направлений в национальной стратегии развития искусственного интеллекта Российской Федерации. Современный технологический уровень уже позволяет получать отдельные лабораторные образцы нейроморфных устройств, основой которых стали наноматериалы различного химического состава и строения, например, односоставные (графен, фосфорен, станен), двусоставные (дихалькогениды переходных металлов, гексагональный нитрид бора, трисульфид дииндия, трийодид хрома, нитрид углерода), трехсоставные (монослои оксигалогенидов железа, максены). Такие материалы обладают широким спектром физико-химических свойств, которые открывают перспективы к масштабному исследованию и дальнейшему внедрению гетероструктур на их основе. Сегодня изучение свойств любых наноматериалов невозможно без теоретического моделирования, однако в случае гетероструктур возникает проблема, вызванная вычислительными ограничениями при расчете таких структур из-за значительного несоответствия между параметрами решетки в рамках периодических граничных условий, которые необходимы для использования современных вычислительных пакетов, предназначенных для исследования свойств твердых тел, работающих на теории функционала электронной плотности. Предлагаемый в проекте оригинальный подход для моделирования оптимальных упаковок и элементарных ячеек вертикальных гетероструктур позволит исследовать и впервые создать карту гетероструктур на основе двумерных соединений. Полученная карта позволит выбрать наиболее подходящие гетероструктуры, определить их свойства и возможность для нейроморфных применений.
Актуальность проекта заключается, во-первых, в применении оригинальных и авторских подходов к поиску материалов, перспективных для применения в элементах нейроморфных устройств, среди успешно синтезированных в настоящий момент, и, во-вторых, в детальном исследовании свойств гетероструктур, что позволит облегчить процесс экспериментального поиска подходящих составов и материалов, а также ускорить процесс внедрения нейроморфных устройств. В результате выполнения проекта впервые будет получена карта двуслойных и трехслойных гетероструктур, проведено детальное исследование их свойств, а также рассмотрена перспективность их применения в нейроморфных устройствах.
Ожидаемые результаты
Внедрение технологии искусственного интеллекта требует применение оптоэлектронных устройств нового поколения, которые способны эффективно обрабатывать, передавать и хранить информацию. Нейроморфные устройства, биомимекрирующие отдельные функции человеческого мозга, кажутся особенно перспективными. Искусственные синапсы на основе двумерных наноматериалов являются важными элементами для вычислительных систем, создание которых вдохновленно устройством человеческого мозга, поскольку такие устройства в перспективе должны будут обрабатывать большие объемы данных с высокой энергоэффективностью.
В результате выполнения проекта будет проведено детальное теоретическое исследование свойств гетероструктур на основе успешно синтезированных двумерных наноматериалов, что позволит выделить наиболее перспективные из них для создания многофункциональных искусственных нейронных систем. Разработка и совершенствование таких материалов необходимы для развития критически важных технологий на основе искусственного интеллекта. Будет проведено изучение влияния наиболее часто встречающихся дефектов в структуре наноматериалов, а также внешнего воздействия на свойства выбранных гетероструктур, что позволит наиболее точно исследовать поведение элементов нейроморфных устройств в реальных условиях. Проведенный теоретический поиск позволит значительно ускорить и облегчить процесс экспериментального поиска и синтеза желаемых наноструктур.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
1. Для корректного построения элементарной ячейки гетероструктур необходимо максимально точно задать исходные геометрии ее отдельных компонент. В ходе проведенного на первом этапе выполнения Проекта исследования были получены оптимальные параметры кристаллической структуры отдельных двумерных наноматериалов для последующего моделирования свойств двухкомпонентных гетероструктур. Было подтверждено хорошее совпадение рассчитанных параметров элементарных ячеек с экспериментальными значениями, что позволяет судить о корректности выбранных параметров расчета.
Для рассматриваемых структур были рассчитаны положения краев валентной зоны и зоны проводимости относительно уровня вакуума, на основе чего были отобраны перспективные составы для последующего построения гетероструктур, в которых можно ожидать смену типа взаимного расположения краев зон при внешнем воздействии.
2. С использованием программы “ Heterotool ” был получен набор элементарных ячеек отобранных на предыдущем этапе двухкомпонентных гетероструктур. Помимо элементарных ячеек, в которых достигается минимальное несоответствие параметров отдельных компонент гетероструктуры, были предложены и другие элементарные ячейки, в которых достигается оптимальное соотношение между количеством атомов в элементарной ячейке и деформацией отдельных компонент гетероструктуры, что позволит в дальнейшем наиболее достоверно моделировать свойства гетероструктуры. Стоит отметить, что кроме подбора оптимальных параметров стекинга монослоев применение программного пакета “Heterotool” позволило выявить возможные муары, моделирование которых возможно в периодических граничных условиях.
3. Были исследованы структурные характеристики двухкомпонентных гетероструктур, установлено наиболее выходные упаковки и оптимальное расстояние между отдельными компонентами гетероструктур. Показано, что наименьшим расстоянием между компонентами гетероструктуры обладает гетероструктура фосфорен/MoS2, а гетероструктуры, в состав которых входит слой α-In2S3 могут иметь различные структурные характеристики благодаря наличию неэквивалентных поверхностей в этом слое. Установлено, что для всех рассмотренных гетероструктур наблюдается слабое ван дер Ваальсово связывание между отдельными монослоями.
4. Было предложено трехмерное пространство манипулирования положением краев зон (максимумом валентной зоны и минимумом зоны проводимости) для гетероструктуры Hf2CO2/MoS2 путем приложения деформации, внешнего электрического поля и изменения межслоевого взаимодействия. В рамках теории функционала плотности было показано, что с помощью этих методов можно изменить тип выравнивания зон с типа II на тип I. В отсутствие внешних воздействий гетероструктура имеет выравнивание зон II типа. Приложенная двухосная деформация сжатия приводит к выравниванию зон типа I, а как растяжение, так и сжатие приводят к уменьшению запрещенной зоны всей гетероструктуры. Изменение межслоевого расстояния не влияет на тип гетероперехода. Но наиболее интригующим является влияние внешнего электрического поля, приложенное в направлении от Hf2CO2 к слою MoS2, что приводит к изменению типа выравнивания зон от типа II к типу I при величине поля 0.05 В/Å, а при увеличении до 0.35 В/Å возвращает выравнивание к типу II. Таким образом, гетероструктура Hf2CO2/MoS2 может служить в качестве материала не только для фотоники, электроники, оптоэлектроники, но и для синаптических приложений.
Публикации
1. Суханова Е.В., Попов З.И. Band alignment type I, II transformations in Hf2CO2/MoS2 heterostructures using biaxial strain, external electric field, and interlayer coupling: a first principal investigation Physical Chemistry Chemical Physics, 25, 32062-32070 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1039/D3CP04546C