Towards atomic-scale memories

Help

Back »

Details of project

Identifier

119797

Type

Principal investigator

Halbritter, András

Title in Hungarian

Atomi méretű memóriák vizsgálata

Title in English

Towards atomic-scale memories

Keywords in Hungarian

nanofizika, molekuláris elektronika, rezisztív kapcsolók

Keywords in English

nanophysics, molecular electronics, resistive switches

Discipline

Physics (Council of Physical Sciences)	100 %
Ortelius classification: Solid state physics

Panel

Physics 1

Department or equivalent

Department of Physics (Budapest University of Technology and Economics)

Participants

Balogh, Zoltán
Kiss, Gábor
Magyarkuti, András
Mészáros, Gábor
MIHÁLY, György
Sánta, Botond
Tátrainé dr. Szekeres, Erzsébet

Starting date

2016-12-01

Closing date

2022-11-30

Funding (in million HUF)

48.000

FTE (full time equivalent)

25.11

state

closed project

Summary in Hungarian

A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Az elektronikai eszközök méretcsökkenésének napjaink CMOS technológiáján túlmutató fenntarthatósága a nanotechnológia jelentős kihívása. Ennek megválaszolására számos új kutatási irány fejlődött ki, amelyek egyaránt atomi méretskálájú eszközök fejlesztését célozzák.
A molekuláris elektronika célja olyan memória, tranzisztor és szenzor egységek létrehozása, amelyek működése egyetlen molekula különböző állapotain keresztül valósítható meg. Ez a kutatási terület erősen támaszkodik az atomi méretű fémes nanovezetékek speciális tulajdonságaira, amelyek az egyedi molekulák elektromos kontaktálásának kulcsát jelentik. Utóbbiak ígéretes alternatívája grafén elektródák alkalmazása, amelyek a fém elektródáknál kisebb elektrosztatikus árnyékolást biztosítanak, ezáltal megnövelve az eszközök elektronikus tulajdonságainak kapufeszültségekkel történő hangolhatóságát.
További lehetőséget jelentenek a szilárd elektrolit rétegekben felépíthető, hangolható ellenállással rendelkező atomi átmérőjű fém szálak. Az ilyen rezisztív memória egységek ellenállása egy pozitív/negatív küszöböt meghaladó külső feszültséggel változtatható meg.
A pályázó kutatók a fenti területeken jelentős tapasztalatokkal rendelkeznek. Az elmúlt években reprodukáló rezisztív kapcsolásokat mutattak ki fémes atomi kontaktusokban, grafén nanorésekben és ezüst-szulfid memória egységekben. A jelen pályázat segítségével atomi méretskálájú rendszerek memóriaműködésének további részletes vizsgálatát tervezzük, elsősorban új anyagcsaládok bevonásával. Célunk a mögöttes fizikai folyamatok feltérképezése, valamint a kifejlesztett eszközök technológiailag versenyképes előállítási és működési paramétereinek optimalizálása.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A kutatási projekt alapvető célja memória működés tanulmányozása olyan új rendszerekben, amelyekben az aktív eszközméret az atomi méretskálák tartományába esik, ezáltal túlmutat a jelenlegi, 10 nm-es kapuhosszakat közelítő CMOS technológia további méretcsökkentésének fizikai korlátain. Terveink között szerepel memória működés létrehozása atomi méretű fémes nanovezetékekben, grafén nanorésekben és fémes elektródákkal kontaktált szilárd elektrolit vékonyrétegekben. Az ilyen nano-eszközök közös sajátossága, hogy működésük során extrém nem-egyensúlyi körülményeknek vannak kitéve. A projekt célja az olyan mögöttes, nem-egyensúlyi jelenségek hatásainak megértése, mint például a nagy áramsűrűség és elektromos tér, az atomi méretű kontaktusok fűtési jelenségei illetve lokális elektrokémiai reakciói. További jelentős célkitűzés a létrehozott eszközök optimalizálása a kapcsolási sebesség és a megbízható információ tárolás szempontjai szerint. Az optimális eszközparaméterek megtalálása érdekében tervezzük a vizsgálataink kiterjesztését új anyagi rendszerekre és olyan, egyszerűsített előállítási eljárásokra, amelyekkel stabil, planáris struktúrák hozhatók létre. Új anyagcsaládok bevonásával szeretnénk eddig nem vizsgált többfunkciós, például elektromos és optikai úton is kapcsolható memória egységeket létrehozni. A különböző rendszerek összehasonlító elemzésének fontos részét képezi a rezisztív kapcsolási jelenségek dinamikájának, valamint az egyensúlyi ON és OFF állapotok zaj-jelenségeinek vizsgálata. További lehetőség a fenti rendszereknek az emberi idegrendszer analóg memória működésével való hasonlóságainak tanulmányozása.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Noha a nano-tudományok jelen projekthez kapcsolódó területein folyó kutatások elsősorban alapkutatási kérdések megválaszolására irányulnak, az elért eredményeket az elektronikai ipar legnagyobb résztvevői is élénk figyelemmel kísérik, mivel azok bármelyike jelentős mértékben hozzájárulhat az új generációs integrált áramkörök gyártásának technológiai alapjaihoz. Éppen ezért a jelen pályázat témájához kapcsolódó kutatás és fejlesztés globális versenyében az egyetemek és akadémiai kutatóintézetek mellett az olyan informatikai óriásvállalatok laboratóriumai is aktívan részt vesznek, mint az Intel, IBM, Samsung vagy Hitachi. A hazai kutatási környezetben a jelen pályázatban érintett kutatócsoport képviseli az egyetlen kísérleti műhelyt ezen a kutatási területen.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Az integrált elektronikai egységek méretcsökkenése a számítástechnikai eszközeink sebesség- és számítási kapacitás növekedésének fontos előfeltétele. Mivel a jelenlegi információs technológia alapegységeinek mérete már megközelíti a 10 nm-es mérettartományt, a következő áttörést az atomi méretskálájú eszközök megjelenése jelentheti.
A projektünk fő célkitűzése ilyen atomi méretű eszközök fejlesztése. Ennek során a molekuláris elektronika, grafén nanoáramkörök és önszerveződő fémes nanoszálak kutatásában elért legújabb eredményeket fejlesztjük tovább. A molekuláris elektronika olyan memória egységek, tranzisztorok és nanoszenzorok vizsgálatát foglalja magában, amelyekben egyetlen molekula kapcsolódik atomi méretű fémes kontaktusokhoz. Utóbbiakat egyetlen szénatom-síkot tartalmazó grafén elektródákkal helyettesítve a molekulák elektronikus hangolhatósága és ezáltal alkalmazási lehetőségei drasztikusan kibővíthetők. Memóriaegységek ígéretes technológiai alapját jelentik az olyan szilárd elektrolit vékonyrétegek, amelyekben feszültség hatására atomi vastagságú fémes szálak válhatnak ki. Az információ az eszköz elektromos ellenállásában van kódolva, amelyet az egyedi fém szálak vastagsága határoz meg.
Kutatócsoportunk rezisztív kapcsolási jelenségeket mutatott ki fémes atomi kontaktusokban, grafén nanorésekben és ezüst-szulfid memória egységekben. A pályázat segítségével atomi méretskálájú rendszerek memóriaműködésének további részletes vizsgálatát tervezzük, elsősorban új anyagcsaládok bevonásával. Célunk a mögöttes fizikai folyamatok feltérképezése, valamint a kifejlesztett eszközök technológiailag versenyképes előállítási és működési paramétereinek optimalizálása.

Summary

Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The ongoing miniaturization beyond the limitations of nowadays CMOS technology is a major challenge in nanoscience. In the last decade several research directions have been developed aiming at the establishment of novel device structures with close to atomic dimensions.

The field of molecular electronics envisions memory devices, transistors and ultrasensitive sensors utilizing a single molecule in the active region. This research direction strongly relies on the investigation of atomic-sized metallic nanowires, which are commonly used as electrodes to single molecules.

Another prosperous field is based on the fabrication of atomic-scale devices using one atom thick graphene electrodes, the latter enabling a significantly better gate response compared to thicker metal structures exhibiting efficient gate screening.

The third platform uses solid electrolytes to form atomic scale junctions with tunable resistances. The resistive state of such a memory element, called memristor is altered by biasing the device above its positive/negative writing threshold, where a metallic nanowire is built up/dissolved in the solid electrolyte.

In the recent period the applicants have demonstrated resistive switching in atomic-sized metallic contacts, in graphene nanogaps and in silver-sulfide memristors. Based on this know-how we devote the present proposal to an extensive investigation of atomic-scale memory operation. We wish to extend our studies to further, novel material systems, understand the underlying physical mechanisms and optimize the fabrication parameters in order to achieve technologically competitive performance.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
Our central research objective is to establish memory operation in novel device structures, where the characteristic size of the active region is close to atomic dimensions overriding the downscaling limitations of present days CMOS architectures approaching the 10 nm node. We wish to exploit atomic-scale memory operation in various material systems, including atomic-sized metallic nanowires, graphene nanogaps and solid electrolyte layers mounted with metallic electrodes. Since all these structures are operated under highly non-equilibrium conditions, the extreme current densities and electric fields, the self-heating effect of the junctions as well as local chemical/electrochemical reactions may play a role in the memory operation. An improved understanding of the underlying physical mechanisms is a primary goal of the project. The second important objective is the optimization of device parameters such as switching speed, information retention and long term stability. In order to find the best performing devices we wish to extend our studies to novel material systems and develop simple fabrication techniques for high stability, planar on-chip architectures. As a third goal we plan to demonstrate new functionalities, like the opportunity of switching both by electronic and optical means. An important task is to perform a comparative investigation of our devices with a special emphasis on the dynamics of the resistive switching and fluctuation phenomena present in the steady ON/OFF states. We also wish to focus on the possible similarities to the analog memory operation of the nervous system.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Though this field of nanophysics addresses questions of fundamental science, leading industrial companies take pronounced interest in the achieved results, as some of the devices under study may become the basis of future technologies in new generation integrated circuits. Therefore, the worldwide competition in the field not only involves universities and public research institutes, but also R&D labs of flagship companies in informatics such as Intel, IBM, Samsung and Hitachi. In Hungary the team of this project is the only experimental research group devoted to the above field of nanoscience.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
The ongoing miniaturization beyond the fundamental limitations of nowadays information technologies is essential to keep up recent years’ development rate in the performance of our devices. Since the unit sizes of the latest generation integrated circuits approach 10 nm, the next breakthrough must challenge the atomic length-scales.
Our proposal aims at the establishment of such atomic size devices. Its main objective is to put forward recent results achieved in molecular electronics, graphene nanocircuits and self-assembled nanofilament formation. Molecular electronics envisions memory devices, transistors and sensors utilizing single molecules terminated by atomic-sized metallic nanowires. Replacing the latter by graphene, the one atom thick layered form of carbon introduces higher tunability and thus more versatile functionalities into such devices. An alternative device concept is based on solid electrolytes hosting atomic scale metallic wires. The information is stored in the low/high resistance of the memory cell which is determined by the diameter of the atomic wire connecting the two electric terminals of the device. This diameter can be tuned by exposing the unit to voltages of different polarities exceeding a certain threshold level.
We have demonstrated resistive switching in atomic-sized metallic junctions, in graphene nanogaps and in silver-sulfide based memory cells. The present proposal is devoted to an extensive investigation of atomic-scale memory operation involving novel material systems. We aim at the understanding of the underlying mechanisms and optimization of the fabrication parameters in order to achieve technologically competitive performance.

Final report

Results in Hungarian

Mesterséges neurális hálózatok lehetséges hardverblokkjaiként a rezisztív kapcsoló memóriaeszközök már figyelemre méltóan magas technológiai készültségi szintet értek el. Ezen eszközökben azonban a működésért felelős aktív tartomány eléri a pár atomos méretskálát, így közvetlen mikroszkópiai módszerekkel nehéz feltárni a működési mechanizmusokat, az atomi skálán lezajló fizikai folyamatok átfogó megértése még nem teljes. A projekt során kísérleti eszközök széles skáláját alkalmaztuk, és újszerű adatelemzési technikákat fejlesztettünk ki, hogy betekintést nyerjünk a fém- vagy grafénelektródákkal kontaktált memrisztív eszközökben, illetve atomi és molekuláris nanovezetékekben lejátszódó atomisztikus folyamatokba. (i) Szupravezető subgap spektroszkópiai mérésekkel megmutattuk, hogy nióbium-pentoxid memrisztorokban ténylegesen elérhető az egyetlen atom átmérőjű aktív tartomány; (ii) 1/f-típusú zajmérésekkel részletesen feltártuk az atomi fluktuációk szerepét és forrását különböző atomi méretű nanoelektronikai eszközökben; (iii) ultragyors (szubnanoszekundumos felbontású) időfelbontott mérésekkel tanulmányoztuk a rezisztív kapcsolás dinamikáját, és (iv) újfajta, gépi tanuláson alapuló adatelemzési módszereket fejlesztettünk.

Results in English

As the possible hardware blocks of artificial neural networks, resistive switching memory devices have already reached a remarkably high technology readiness level, yet the comprehensive understanding of the involved physical processes is incomplete. This is partly related to the fundamentally new operation regime, where the functionality can be squeezed to an active volume of a few atoms. At this ultimate smallest size-scale it is extremely hard to gain direct microscopic insight to the involved atomistic processes. During the project we have applied a broad range of experimental tools and developed novel data analysis techniques to explore the operation of the atomic-scale active volumes in solid-state memristive devices contacted by metal or graphene electrodes, as well as in atomic and molecular nanowires. These include (i) the demonstration of truly single-atom operation in niobium pentoxide memristors, (ii) the detailed analysis of atomic-scale fluctuations by 1/f-type noise measurements, (iii) the analysis of the switching dynamics by ultrafast (sub-nanosecond-scale) time-resolved measurements and (iv) the development of novel, machine-learning-based data analysis methods.

Full text

https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=119797

Decision

Yes

List of publications

Lauritzen KP,Magyarkuti A,Balogh Z,Halbritter A,Solomon GC: Classification of conductance traces with recurrent neural networks., JOURNAL OF CHEMICAL PHYSICS 148: (8), 2018

Magyarkuti Andras,Adak Olgun,Halbritter Andras,Venkataraman Latha: Electronic and Mechanical Characteristics of Stacked Dimer Molecular Junctions, NANOSCALE -:, 2018

Molnár Dániel,Török Tímea Nóra,Sánta Botond,Gubicza Agnes,Magyarkuti András,Hauert Roland,Kiss Gábor,Halbritter András,Csontos Miklós: In situ impedance matching in Nb/Nb 2 O 5 /PtIr memristive nanojunctions for ultra-fast neuromorphic operation, NANOSCALE 10: (41) pp. 19290-19296., 2018

B. Sánta, Z. Balogh, A. Gubicza, L. Pósa, D. Krisztián, G. Mihály, M. Csontos, A. Halbritter: Universal 1/f type current noise of Ag filaments in redox-based memristive nanojunctions, NANOSCALE 11 : 11 pp. 4719-4725. , 7 p. (2019), 2019

Kolivoška, Viliam ; Šebera, Jakub ; Sebechlebská, Táňa ; Lindner, Marcin ; Gasior, Jindřich ; Mészáros, Gábor ; Mayor, Marcel ; Valášek, Michal ; Hromadová, Magdaléna: Probabilistic mapping of single molecule junction configurations as a tool to achieve the desired geometry of asymmetric tripodal molecules, CHEMICAL COMMUNICATIONS 55 : 23 pp. 3351-3354. , 4 p. (2019), 2019

Sánta, B ; Molnár, D ; Haiber, P ; Gubicza, A ; Szilágyi, E ; Zolnai, Zs ; Halbritter, A ; Csontos, M: Nanosecond resistive switching in Ag/AgI/PtIr nanojunctions, BEILSTEIN JOURNAL OF NANOTECHNOLOGY 11 pp. 92-100. , 9 p. (2020), 2020

Török, Tímea Nóra ; Csontos, Miklós ; Makk, Péter ; Halbritter, András: Breaking the Quantum PIN Code of Atomic Synapses, NANO LETTERS Paper: acs.nanolett.9b04617 (2020), 2020

G. Mezei , Z. Balogh, A. Magyarkuti, and A. Halbritter: Voltage-Controlled Binary Conductance Switching in Gold–4,4′-Bipyridine–Gold Single-Molecule Nanowires, The Journal of Physical Chemistry Letters 11, 8053-8059, 2020

A. Magyarkuti, N. Balogh, Z. Balogh, L. Venkataraman and A. Halbritter: Unsupervised feature recognition in single-molecule break junction data, Nanoscale 12, 8355-8363, 2020

A. Nyáry, A. Gubicza, J. Overbeck, L. Pósa, P. Makk, M. Calame, A. Halbritter and M. Csontos: A non-oxidizing fabrication method for lithographic break junctions of sensitive metals, Nanoscale Advances 2, 3829-3833, 2020

Balogh Zoltan, Mezei Gréta, Pósa László, Sánta Botond, Magyarkuti András, Halbritter András: 1/f noise spectroscopy and noise tailoring of nanoelectronic devices, NANO FUTURES 5: (4) 042002, 2021

Magyarkuti A., Balogh Z., Mezei G., Halbritter A.: Structural Memory Effects in Gold–4,4′-Bipyridine–Gold Single-Molecule Nanowires, JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY LETTERS 12: pp. 1759-1764., 2021

Pósa László, Balogh Zoltán, Krisztián Dávid, Balázs Péter, Sánta Botond, Furrer Roman, Csontos Miklós, Halbritter András: Noise diagnostics of graphene interconnects for atomic-scale electronics, NPJ 2D MATERIALS AND APPLICATIONS 5: (1) 57, 2021

A Magyarkuti, K P Lauritzen, Z Balogh, A Nyáry, G Mészáros, P Makk, G C Solomon, A Halbritter: Temporal correlations and structural memory effects in break junction measurements, JOURNAL OF CHEMICAL PHYSICS 146, 092319, 2017

Pósa László, El Abbassi Maria, Makk Péter, Sánta Botond, Nef Cornelia, Csontos Miklós, Calame Michel, Halbritter András: Multiple Physical Time Scales and Dead Time Rule in Few-Nanometers Sized Graphene–SiOx-Graphene Memristors, NANO LETTERS 17, 6783, 2017

El Abbassi Maria, Posa Laszlo, Makk Peter, Nef Cornelia, Thodkar Kishan, Halbritter Andras, Calame Michel: From electroburning to sublimation: substrate and environmental effects in the electrical breakdown process of monolayer graphene, NANOSCALE 9, 17312, 2017

Magyarkuti Andras,Adak Olgun,Halbritter Andras,Venkataraman Latha: Electronic and Mechanical Characteristics of Stacked Dimer Molecular Junctions, NANOSCALE 10, 3362, 2018

Lauritzen KP,Magyarkuti A,Balogh Z,Halbritter A,Solomon GC: Classification of conductance traces with recurrent neural networks., JOURNAL OF CHEMICAL PHYSICS 148, 084111, 2018

Török, Tímea Nóra ; Csontos, Miklós ; Makk, Péter ; Halbritter, András: Breaking the Quantum PIN Code of Atomic Synapses, NANO LETTERS 20, 1192, 2020

A. Magyarkuti, N. Balogh, Z. Balogh, L. Venkataraman and A. Halbritter: Unsupervised feature recognition in single-molecule break junction data, Nanoscale 12, 8355, 2020

Magyarkuti A., Balogh Z., Mezei G., Halbritter A.: Structural Memory Effects in Gold–4,4′-Bipyridine–Gold Single-Molecule Nanowires, JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY LETTERS 12, 1759, 2021

Back »