Исследование возможностей создания нейроморфных элементов на основе мультиферроидных гетероструктур

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 проекта 23-72-01053

НазваниеИсследование возможностей создания нейроморфных элементов на основе мультиферроидных гетероструктур

Руководитель Федулов Фёдор Александрович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "МИРЭА - Российский технологический университет" , г Москва

Конкурс №84 - Конкурс 2023 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-205 - Сегнетоэлектрики, диэлектрики, жидкие кристаллы

Ключевые слова мультиферроидная гетероструктура, магнитоэлектрический эффект, магнитострикция, пьезоэлектричество, нейроморфный элемент, искусственный нейрон.

Код ГРНТИ47.09.35; 47.09.33

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на решение научной задачи по разработке возможностей создания нейроморфных элементов, в частности, искусственных синаптических устройств (artificial synaptic devices) на основе мультиферроидных гетероструктур, содержащих пьезоэлектрические (ПЭ) и ферромагнитные (ФМ) слои. Ранее было показано, что в данных гетероструктурах за счёт механической связи между слоями, а также сочетания магнитострикции ФМ слоя и пьезоэлектрического эффекта в ПЭ слое, происходит эффективное взаимное преобразование магнитных и электрических полей, порождая целый ряд физических эффектов. На сегодняшний день предложен ряд устройств на основе слоистых мультиферроидных гетероструктур, в частности высокочувствительные датчики магнитных полей, анализаторы спектра, миниатюрные антенны низкочастотного радиодиапазона и т.д. Одним из быстро растущих новых научных направлений является разработка и исследование нейроморфных элементов и систем, имитирующих функций биологических синапсов для создания нейронных компьютеров. Уникальные характеристики синаптических устройств – это способность эмулировать нейронную пластичность и обучение, реализуя переход между различными устойчивыми состояниями с очень низким потреблением энергии. Работы по созданию нейроморфных элементов ведутся с использованием различной элементной базы, в том числе мемристивных устройств, памяти с изменением фазового состояния, устройств спинтроники и сегнетоэлектрические материалы. Научная новизна проекта состоит в использовании слоистых мультиферроидных гетероструктур для создания нейроморфных элементов на новых физических принципах. Ферромагнитные слои будут изготовлены из аморфных магнитных материалов и магнитострикционного никеля. Пьезоэлектрические слои будут изготовлены из сегнетоэлектрической керамики цирконата-титаната свинца (ЦТС) и гибкого полимерного поливинилиденфторида (ПВДФ). Планируется исследовать магнитные, электрические и акустические характеристики мультиферроидных гетероструктур, и эффективность магнитоэлектрического преобразования при возбуждении импульсными электрическими и магнитными полями с различными параметрами. Будут продемонстрированы возможности создания нейроморфных элементов на основе изготовленных мультиферроидных гетероструктур.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Федулов Ф.А., Савельев Д.В., Фетисов Ю.К. Synaptic behavior of a composite multiferroic heterostructure FeBSiC – PZT at resonant excitation Modern Electronic Materials (MoEM), Modern Electronic Materials 10(2): 91-101 (год публикации - 2024)
10.3897/j.moem.10.2.124089

2. Джапаридзе М.В., Федулов Ф.А., Фетисов Л. Ю. Магнитоэлектрический эффект в несимметричных композитах на основе монокристаллических широкозонных пьезополупроводников Сборник докладов конференции «Оптические технологии, материалы и системы» Института перспективных технологий и индустриального программирования РТУ МИРЭА, 431-438 c. (год публикации - 2023)

3. Федулов Ф.А., Савельев Д.В., Болотина Е.В., Джапаридзе М.В., Фетисов Ю.К. Синаптическое поведение композитной мультиферроидной гетероструктуры с остаточной намагниченностью при резонансном возбуждении РЭНСИТ: Радиоэлектроника. Наносистемы. Информационные технологии, 17, 3, 359-370 (год публикации - 2025)
10.17725/rensit.2025.17.359

4. Джапаридзе М.В., Федулов Ф.А. Моделирование магнитоэлектрического эффекта в двух- и трёхслойных структурах на основе никеля и цирконата-титаната свинца XXXI Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов–2024». Сборник тезисов 12-26 апреля 2024. – Москва. – 1052 с., С. 746-748 (год публикации - 2024)

5. Джапаридзе М.В., Федулов Ф.А., Фетисов Л.Ю. Моделирование влияния импульсов электрического поля на диэлектрические характеристики сегнетоэлектрической керамики цирконата-титаната свинца в COMSOL Multiphysics Международная научно-техническая конференция Оптические технологии, материалы и системы (Оптотех - 2024) [Электронный ресурс]: Сборник докладов конференции 2-8 декабря 2024 – Москва. – 904 С., C.526-530 (год публикации - 2024)

6. Савельев Д.В., Болотина Е.В., Некрашевич К.Я., Федулов Ф.А. Влияние импульсов магнитного поля на характеристики магнитоэлектрического эффекта в композитной мультиферроидной гетероструктуре с остаточной намагниченностью Международная научно-техническая конференция Оптические технологии, материалы и системы (Оптотех - 2024) [Электронный ресурс]: Сборник докладов конференции 2-8 декабря 2024 – Москва. – 904 С., C. 623-626 (год публикации - 2024)

7. Джапаридзе М.В., Федулов Ф.А. Моделирование влияния импульсов магнитного поля на магнитные характеристики ферромагнитного материала в COMSOL Multiphysics Национальная научно-техническая конференция с международным участием «Перспективные материалы и технологии» 07-12 апреля 2025. – Москва (год публикации - 2025)

8. Савельев Д.В., Некрашевич К.Я., Болотина Е.В., Федулов Ф.А. Синаптическое поведение мультиферроидной структуры ЦТС-Ni при резонансном возбуждении Национальная научно-техническая конференция с международным участием «Перспективные материалы и технологии» 07-12 апреля 2025. – Москва (год публикации - 2025)

9. Джапаридзе М.В. , Фетисов Л.Ю. , Федулов Ф.А. Моделирование отдельных гармоник магнитоэлектрического эффекта в программном пакете COMSOL Multiphysics Ученые записки Физического факультета МГУ, № 4, 2441702 (2024) (год публикации - 2024)

10. Федулов Ф.А., Савельев Д.В., Болотина Е.В., Джапаридзе М.В., Фетисов Ю.К. Синаптическое поведение композитной магнитоэлектрической гетероструктуры «ферромагнетик-пьезоэлектрик» при резонансном возбуждении Материалы международной научно-практической конференции "Мультиферроики: получение, свойства, применение", Витебск, 24-27 сентября 2024 г. / под. ред. В.В. Рубаника. – Минск : ИВЦ Минфина, 2024. – 154 с., С.30-32 (год публикации - 2024)

11. Федулов Ф.А., Савельев Д.В., Болотина Е.В., Джапаридзе М.В., Фетисов Ю.К. Синаптическое поведение композитной магнитоэлектрической гетероструктуры FeBSiC - ЦТС Сборник трудов XXV Международной конференции "Новое в магнетизме и магнитных материалах.", 1 – 5 июля 2024 г. – Москва – 2024 – 996 с., С. 11-74 – 11-77 (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Целью проекта является исследование возможностей создания нейроморфных элементов на основе мультиферроидных гетероструктур. Для этого исследуется влияние постоянных и импульсных электрических и магнитных полей на композитные мультиферроидные структуры. В ходе выполнения 2-го этапа проекта в 2024-2025 году получены следующие основные научные результаты: 1. Моделирование механических и электрических характеристик мультиферроидных гетероструктур при приложении электрических и магнитных полей. Проведено конечно-элементное моделирование влияния электрического поля (до 16 кВ/см) на остаточную поляризацю ЦТС. Проведено моделирование влияния магнитного поля (до 4 кЭ) на величину намагниченности в ферромагнитном слое. Проведено моделирование влияния электрических и магнитных полей на величину деформаций в мультиферроидной гетероструктуре ЦТС-Ni. 1.1 Моделирование влияния электрического поля на характеристики пьезокерамики ЦТС Проведено конечно-элементное моделирование диэлектрических и механических характеристик ЦТС при приложении медленно меняющегося электрического поля. В ходе моделирования были получены зависимости поляризации P и деформации S пьезокерамики ЦТС от напряжённости электрического поля E. 1.2 Моделирование влияния импульсов электрического поля на диэлектрические ха-рактеристики пьезокерамики ЦТС Проведено конечно-элементное моделирование, описывающее влияние электрических импульсов (до 16 кВ/см) разной амплитуды и полярности на изменение остаточной поляризации и деформации ЦТС. 1.3 Моделирование влияния магнитного поля на характеристики ферромагнитного материала Проведено конечно-элементное моделирование, описывающее влияние медленно меняющегося магнитного поля на магнитные характеристики ферромагнетика, описанного моделью Джилса-Атертона. 1.4 Моделирование влияния импульсов магнитного поля на магнитные характеристики ферромагнитного материала Проведено конечно-элементное моделирование, позволяющее описать влияние импульсов магнитного поля различной амплитуды и полярности, создаваемых катушкой с током, на изменение остаточной индукции ферромагнетика. 1.5 Моделирование отдельных гармоник магнитоэлектрического эффекта в COMSOL Multiphysics. Представлен новый метод расчета, позволяющий при помощи COMSOL Multiphysics рассчитывать поведение отдельных гармоник МЭ-напряжения. В основе метода лежит составление линейной композиции полученных в различные моменты времени решений дифференциальных уравнений, описывающих МЭ-эффект. Метод был применен для вычисления полевых и амплитудных характеристик МЭ-эффекта в композитных структурах на основе ЦТС-Ni. Результаты качественно совпадают с экспериментом. 2. Исследование характеристик прямого магнитоэлектрического (МЭ) эффекта в гетероструктурах при возбуждении импульсами магнитного поля с различными параметрами. Исследован прямой МЭ эффект в гетероструктуре ЦТС-Ni при приложении импульсов магнитного поля различной амплитуды и полярности длительностью 0.1 – 5 с. Показана возможность создания множества устойчивых состояний с различной величиной остаточной намагниченности ФМ слоя Mr. Показано, что амплитуда выходного напряжение гетероструктуры постоянна при приложении импульсов поля фиксированной амплитуды и различной длительности в диапазоне 0.1 – 5 с. 3. Исследование возможностей управления характеристиками прямого МЭ эффекта в гетероструктурах с помощью импульсов электрического поля. Исследованы возможности управления характеристиками прямого МЭ эффекта в гетероструктуре ЦТС-Metglas с помощью импульсов электрического поля длительностью 5 с и амплитудой до 16 кВ/см. Показана возможность создания множества устойчивых состояний с различной остаточной поляризации ЦТС при приложении импульсов электрического поля различной амплитуды и полярности. Зависимость напряжения um и МЭ коэффициента αE от амплитуды и полярности приложенного импульса электрического поля имеет вид петли гистерезиса. Наблюдали сдвиг фаз на π между МЭ напряжением um и возбуждающим полем вблизи коэрцитивного поля ЦТС. Измерена зависимость пьезомодуля d33 пьезокерамики ЦТС при приложении прямоугольных импульсов напряжения разной полярности. Зависимость имеет вид петли гистерезиса с коэрцитивным полем Ec ≈ 6.5 кВ/см. 4. Демонстрация нейроморфного поведения мультиферроидной гетероструктуры при приложении импульсов электрического поля. Продемонстрирована имитация нейроморфного поведения мультиферроидной гетероструктуры «ферромагнетик-пьезоэлектрик» при приложении импульсов электрического и магнитного поля. 4.1 Нейроморфное поведение МЭ гетероструктуры ЦТС-Metglas при приложении импульсов электрического поля Экспериментально продемонстрирована имитация STDP, LTD, LTP, EPSP и IPSP в МЭ гетероструктуре ЦТС-Metglas при резонансном возбуждении при приложении импульсов электрического поля различной амплитуды и полярности. При моделировании STDP-пластичности абсолютное изменение МЭ коэффициента составляло ΔαE ≈ 8.1 В/Э·см, а относительное достигало Δα/αi ≈ 150%. 4.2 Нейроморфное поведение МЭ гетероструктуры ЦТС-Ni при приложении импульсов магнитного поля В результате исследования экспериментально продемонстрирована имитация STDP, LTD, LTP, EPSP и IPSP в МЭ гетероструктуре ЦТС-Ni при резонансном возбуждении при приложении импульсов магнитного поля различной амплитуды и полярности. Показана возможность управления коэффициентом αE за счёт изменения остаточной намагниченности никеля Mr при приложении импульсов магнитного поля. При имитации STDP-пластичности абсолютное изменение МЭ коэффициента составляло ΔαE ≈ 8.6 В/Э·см, а относительное достигало ΔαE/αEi ≈ 170%. Проведённое исследование демонстрирует потенциал создания нейроморфных систем, управляемых как магнитными, так и электрическими полями, на основе мультиферроидных композитных гетероструктур «пьезоэлектрик-ферромагнетик». По результатам исследований опубликовано 2 статьи в ведущих рецензируемых российских и зарубежных научных изданиях и представлено 6 докладов на российских и международных конференциях.

Публикации