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과학자들은 인간의 뇌를 기반으로 한 디자인으로 뉴로모픽 컴퓨터를 만들기 위해 새로운 재료를 연구하고 있음. 중요한 구성 요소는 저항변화 기억 장치임. 그 저항은 장치의 이력에 따라 달라짐. 마치 우리 뇌의 뉴런 반응이 이전 입력에 의존하는 것과 유사함.

네덜란드의 그로닝겐 대학교(University of Groningen) 연구팀이 멤리스터 연구를 위한 플랫폼 재료인 스트론튬 티타늄 산화물의 거동을 분석하고 2D 재료 그래핀을 사용하여 이를 조사했음.

컴퓨터는 값이 0 또는 1 인 스위치로 가득 찬 거대한 계산기임. 이러한 많은 이진 시스템을 사용하여 컴퓨터는 계산을 매우 빠르게 수행할 수 있음. 그러나 다른 측면에서 컴퓨터는 그다지 효율적이지 않음. 우리의 뇌는 표준 마이크로 프로세서보다 얼굴을 인식하거나 다른 복잡한 작업을 수행하는 데 에너지를 덜 사용함. 그것은 우리의 뇌가 0과 1 이외의 많은 값을 가질 수 있는 뉴런으로 구성되어 있고 뉴런의 출력이 이전 입력의 이력에 의존하기 때문임.

멤리스터를 생성하기 위해 과거 사건을 기억하는 스위치로 스트론튬 티타늄 산화물 (STO)이 자주 사용됨. 이 물질은 결정 구조가 온도에 따라 달라지는 페로브스카이트이며 저온에서 초기의 강유전성을 가짐. 강유전성 동작은 105 켈빈 이상에서 손실됨. 이러한 상전이를 수반하는 도메인과 도메인 벽은 활발한 연구의 주제임. 그러나 재료가 왜 그렇게 작동하는지는 아직 명확하게 밝혀지지 않음. 결정의 산소 원자는 그 행동의 핵심인 것처럼 보임. 산소 공공은 결정을 통해 이동할 수 있으며 이러한 결함은 중요함. 또한, 도메인 벽은 재료에 존재하며 전압이 가해지면 움직임. 이런 일이 어떻게 발생하는지 알아보기 위해 수 많은 연구가 진행되었지만 이 재료를 살펴보는 것은 복잡함. 그러나 연구팀은 2 차원 탄소 시트인 그래핀과 같은 다른 재료를 사용하는 데 성공했음.

그래핀의 특성은 순도에 의해 정의되는 반면 STO의 특성은 결정 구조의 불완전성에서 발생함. 그것들을 결합하면 새로운 통찰력과 가능성이 생김. 연구팀은 STO 플레이크 위에 그래핀 스트립을 놓고 양수 값과 음수 값 사이의 게이트 전압을 스위핑하여 다른 온도에서 전도도를 측정했음. 게이트 전압에 의해 생성된 전자 나 양의 정공이 과도하게 있을 때 그래핀은 전도성이 됨. 그러나 전자와 정공이 매우 적은 지점인 Dirac 지점에서는 전도도가 제한됨. 정상적인 상황에서 최소 전도도 위치는 게이트 전압의 스위핑 방향으로 변경되지 않음. 그러나 STO 상단의 그래핀 스트립에는 순방향 스윕과 역방향 스윕의 최소 전도도 위치가 크게 분리되어 있음. 효과는 4 켈빈에서 매우 분명하지만 105 켈빈이나 150 켈빈에서는 덜 뚜렷함. 웁살라 대학에서 수행된 이론적 연구와 함께 결과 분석은 STO 표면 근처의 산소 공공이 원인임을 보여줌.

105 켈빈 미만의 상전이는 결정 구조를 확장하여 쌍극자를 생성함. 산소 공공이 도메인 벽에 축적되고 이 벽이 산소 공공의 이동을 위한 채널을 제공함을 보여줌. 이러한 채널은 STO의 저항변화 기억 양상을 담당함. STO의 결정 구조에서 산소 공공 채널의 축적은 최소 전도도 위치의 이동을 설명함. STO 게이트 전압을 -80V로 유지하고 거의 30 분 동안 그래핀의 저항을 측정했음. 이 기간 동안 정공에서 전자 전도도로의 이동을 나타내는 저항의 변화를 관찰했음. 이 효과는 주로 STO 표면에 산소 공공이 축적되어 발생함. 대체로, 실험은 결합된 STO/그래핀 재료의 특성이 각각 다른 시간 척도에서 전자와 이온의 이동을 통해 변한다는 것을 보여줌. '하나 또는 다른 것을 수확함으로써 단기 또는 장기 기억 효과와 비교할 수 있는 기억 효과를 생성하기 위해 다른 응답 시간을 사용할 수 있음. 이 연구는 STO 멤리스터의 동작에 대한 새로운 통찰력을 창출함. 그리고 그래핀과의 결합은 강유전성 물질과 2D 물질을 결합한 멤리시브 헤테로 구조에 대한 새로운 길을 열어줌.

본 연구 성과는 ‘ACS Applied Materials and Interfaces’ ("Unveiling Temperature-Induced Structural Domains and Movement of Oxygen Vacancies in SrTiO3 with Graphene") 지에 게재됨