Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Основная цель данного этапа проекта заключалась в разработке технологии создания массивов одиночных и матричных в кроссбар-геометрии мемристивных структур на основе чистого и нанокомпозитного (НК) поли-п-ксилилена (ППК) на твердых подложках и получение массивов структур с оптимальными мемристивными характеристиками. Было изготовлено и изучено три типа мемристивных структур на основе: 1) чистого ППК, 2) ППК с наночастицами МоОх (ППК-МоОх) и ППК с наночастицами PbTe (ППК-PbTe). 1. Оптимизирован технологический маршрут изготовления массивов одиночных и кроссбар-структур мемристоров на основе чистого ППК. Проведены комплексные исследования структурных и электрофизических свойств полученных образцов и выявлены механизмы и факторы, влияющие на их резистивные переключения (РП). Определены основные мемристивные характеристики (напряжения переключения в низко- и высокоомное состояния, выносливость, многоуровневое РП, возможность удержания состояний, разбросы характеристик, время и энергия РП). Кроме того разработана компактная феноменологическая модель РП мемристивных структур на основе ППК, основанная на образовании/разрушении металлических мостиков под действием сильного электрического поля. Модель позволяет описать экспериментальные данные с точностью не хуже 0.4%. 2. Разработан технологический маршрут изготовления массивов одиночных и кроссбар-структур мемристоров на основе ППК-МоОх. На основе сравнения основных мемристивных характеристик были определены оптимальные параметры синтеза: диапазон концентраций MoOx от 50% до 80%, толщина пленки в диапазоне 500-1500 нм, а также после синтеза необходим отжиг структуры на воздухе. Выход годных устройств в кроссбар-структуре составил более 90%. Кроме того в данных структурах было обнаружено сосуществование волатильного и неволатильного режима РП при использовании различных токов ограничения. Также изучен фоточувствительный отклик одиночных мемристоров на основе ППК-МоОx. Обнаружено, что при освещении ток увеличивается как в высокоомном, так и в низкоомном состоянии. 3. Синтезированы и изучены массивы одиночных мемристоров на основе ППК-PbTe. Обнаружено, что при отжиге структур после синтеза размер наночастиц увеличивается с 5 нм до 12 нм. Мемристивные характеристики демонстрируют хорошую воспроизводимость как от цикла к цикла, так и от устройства к устройству. При этом образцы обладают высокой пластичностью (многоуровневым характером РП): структуры как без отжига, так и с отжигом, демонстрируют 28-30 различных стабильных резистивных состояний. Образцы без отжига демонстрируют высокую выносливость: более 4000 циклов записи/перезаписи с отношением Roff/Ron порядка 17. 4. Предложены электрические схемы исследования мемристивных характеристик пассивных кроссбар-структур: одноканальная, двухканальная “V” и двухканальная “V/2”. В одноканальной схеме напряжение с одного канала источника-измерителя подаётся на строку выбранного мемристора, заземляется только столбец выбранного мемристора. Данная схема предпочтительна при изучении характеристики выносливости. В двухканальной схеме используется два канала источника-измерителя, один из которых подключается к строке выбранного мемристора, другой - к столбцу. Все остальные строки и столбцы заземляются для того, чтобы уравнять их потенциалы между собой, в результате чего удается существенно уменьшить величину токов утечки (шунтирования). В схеме “V”, канал, подключаемый к строке, используется исключительно как источник напряжения, а второй канал устанавливается в режим амперметра и измеряет ток, протекающий через выбранный мемристор. Данная схема позволяет измерять сопротивления и ВАХ без искажений и при этом избежать пробоя при подаче больших напряжений во время измерения. В двухканальной схеме “V/2" на строку подаётся напряжение, равное V/2, а на столбец - −V/2. В итоге на выбранном мемристоре падает напряжение V, а на всех остальных - не больше (по модулю), чем V/2. Данная схема подходит для записи резистивного состояния мемристора. 5. Мемристивные структуры на основе чистого ППК и ППК-МоОх демонстрируют различные синаптические свойства с биоподобной формой пластичности: ST(W,A,R)DP – пластичность, зависящая от времени прихода (длительности, амплитуды, частоты) спайков, PPF/PPD (парное импульсное усиление/ослабление) и LTP/LTD (долговременная потенциация/депрессия). Показано, что мемристоры на основе ППК способны имитировать все основные свойства биологических синапсов, что может быть использовано для построения биоподбных нейроморфных систем. 6. Разработана гомогенная резервуарная вычислительная система (РВС) на основе кроссбар-массивов ППК-МоОх мемристоров. Для реализации РВС необходимы разные мемристоры: для резервуарного слоя - волатильные мемристоры, для считывающего слоя – неволатильные с длительным хранением резистивных состояний. Для этого была использована возможность контроля режима работы мемристоров на основе ППК-MoOx с помощью тока ограничения. Показано, что работа мемристоров в волатильном режиме может быть использована для реализации динамического резервуара с возможностью разделения трехбитных последовательностей. Считывающий слой РВС был реализован на двухслойной полносвязной сети с использованием характеристик мемристоров в неволатильном режиме. В качестве показательной задачи для РВС была выбрана классификация модифицированного набора данных рукописных цифр MNIST. Точность классификации составила более 96% при использовании на 60% меньшего количества весов по сравнению со стандартной полносвязной архитектурой, что подтверждает перспективность и энергоэффективность предложенной РВС.

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Основная цель данного этапа проекта заключалась в разработке технологии создания массивов мемристивных структур на основе чистого и нанокомпозитного (НК) поли-п-ксилилена (ППК) на гибких подложках и изучение их мемристивных свойств с учетом механических деформаций, а также продолжение исследований синаптических свойств и нейроморфных приложений перспективных структур, изготовленных на предыдущем этапе. Было изготовлено и изучено три типа массивов мемристивных структур на основе: 1) чистого ППК, 2) ППК с наночастицами МоОх (ППК-МоОх) и ППК с наночастицами PbTe (ППК-PbTe). Для всех типов структур проведены комплексные исследования их свойств. Мемристивные устройства изготавливались в виде массивов одиночных структур на твердых (стекло) и гибких (полиэтиленнафталат, PEN) подложках и в виде массивов кроссбар-структур на твердых (кремний) подложках. 1. Разработан, создан и апробирован измерительный стенд для испытаний на изгиб изготовленных массивов мемристивных структур на гибких подложках. Стенд представляет собой цилиндры с различными радиусами (2 см, 1.5 см, 1 см, 0.5 см) с точностью трехмерной печати 0.2 мм, встраиваемых вместо столика зондовой станции. Испытания на изгиб могут проводиться в режиме постоянной кривизны, т.е. в деформированном состоянии. Также возможен режим измерения без деформации. Для этого образец подвергался серии циклов изгиба и растяжения вокруг цилиндра с последующим измерением его мемристивных характеристик в недеформированном состоянии. 2. Разработан технологический маршрут изготовления кроссбар-структур с возможностью контроля площади активной области. Особенностью является то, что мемристивная структура инвертируется и металлические шины с активным электродом (Cu) осаждаются и паттернируются в качестве нижнего электрода. Затем электроды покрываются слоем диэлектрика, в котором в предполагаемых местах пересечения нижнего электрода с верхним вытравливаются окна различного размера, что позволяет контролировать активную область. 3. Продемонстрированы стабильные резистивные переключения и синаптическая пластичность мемристоров на основе ППК в кроссбар-архитектуре. Для массивов (8х4) Cu/ППК/Au мемристоров показаны стабильные резистивные переключения (РП) с отношением R_on/R_off > 7*10^5, многоуровневая пластичность (16 резистивных состояний) и возможность эмуляции синаптической пластичности (STDP, LTP/LTD) Разработанная двухканальная схема измерения эффективно минимизирует токи утечки, обеспечивая точное определение характеристик и масштабируемость в пассивных кроссбар-массивах. 4. Изучены электрофизические свойства мемристоров на основе ППК на гибких подложках и возможность их применения в нейроморфных системах. Мемристивные структуры Cu/ППК/ITO/PEN демонстрируют стабильность РП и его ключевых параметров (напряжения переключения в высоко- и низкоомное состояния, сопротивления R_on и R_off) вплоть до радиуса изгиба 5 мм и выдерживают не менее 100 циклов изгиба/разгиба. Структуры проявляют многоуровневое РП с не менее чем 8 стабильными резистивными состояниями и временем удержания не менее 300 с, независимо от кривизны изгиба. Кроме того, была проанализирована возможность применения гибких мемристоров в нейронных сетях для распознавания образов из базы данных рукописных цифр MNIST. Смоделированная нейроморфная система показала достаточно высокую точность классификации (>97%) для каждой исследуемой кривизны образца. 5. Исследованы мемристивные свойства и эффект квантования проводимости структур на основе ППК-MoOx на гибких подложках. Испытания на изгиб массивов одиночных мемристоров Cu/ППК-MoOx/ITO/PEN подтвердили их способность к РП даже в экстремальных условиях изгиба (5 мм). Обнаружена стабильность высокоомных состояний, соответствующих целым и полуцелым значениям кванта проводимости G_0 = 77.5 мкСм. Стабильные и биоподобные окна STDP были получены с начальными проводимостями кратными полуцелым G_0. Многоуровневость резистивных состояний, которые кратны полуцелым G_0, и возможность изменения проводимости по правилу STDP имеют корреляцию друг с другом. 6. Изучены особенности резистивного переключения мемристоров на основе ППК с наночастицами PbTe, в том числе при фотовозбуждении. Исследованы массивы одиночных мемристоров Cu/ППК-PbTe/ITO и выявлены их основные мемристивные характеристики, в том числе с учетом разброса параметров от цикла к циклу и от устройства к устройству. Устройства демонстрируют стабильные характеристики РП с широким окном изменения сопротивления (18), низкими напряжениями переключения до 2 В, выносливостью до 4000 циклов записи/перезаписи и многоуровневостью не менее 30 стабильных на протяжении 300 с резистивных состояний. Время РП составляет меньше 350 нс, что соответствует энергии переключения менее 200 пДж. Структуры проявляют также биоподобные синаптические свойства, такие как ST(А,D)P и LTD/LTP. Улучшенные характеристики позволяют проводить моделирование формальной нейронной сети с мемристивными связями на основе структур ППК-PbTe с высокой точностью классификации изображений из базы данных MNIST, даже если учитывается вариация между устройствами. Кроме того обнаружено уменьшение гистерезиса в ВАХ при РП структур, что объяснятся появлением фотогенерированных электронов на поверхности частиц PbTe при освещении, которые более активно восстанавливают ионы меди при их электромиграции, вследствие чего образуется более тонкий и менее стабильный филамент, обладающий большим сопротивлением. 7. Разработана компактная феноменологическая модель РП исследуемых мемристоров, учитывающая разброс их характеристик. Для этого в модели энергия активации подвижности катионов E_a и U_reset изменялись в каждом цикле согласно нормальному распределению с коэффициентом вариации 1% и 8%, соответственно. Кроме того, модель позволила смоделировать экспериментальное окно STDP. Дополнительно было смоделировано РП для мемристивной структуры с внедренными наночастицами MoOx. 8. Изучено влияние информационной емкости мемристорного резервуара на точность классификации изображений. Под емкостью понимается число бит информации, которое подается на резервуарный слой за один шаг. Было показано, что увеличение емкости до 7 бит приводит к небольшому снижению точности. В то же время использование резервуара с информационной емкостью 7 бит позволяет сократить количество синаптических весов в классифицирующем слое с 2*10^5 до 3*10^4.