Полимерный мемристор на основе наногетерогенного материала: ион-проводящего полимера (Нафион) и электрон-проводящего полимера (Полианилин)

Полимерный мемристор на основе наногетерогенного материала: ион-проводящего полимера (Нафион) и электрон-проводящего полимера (Полианилин)

С. Заблоцкий*, Ж. Боева#, Д. Годовский, Е. Махаева*.

*Физфак МГУим. М.В.Ломоносова, Воробьевы Горы, д.1, Москва

#Химфак МГУ им.М.В.Ломоносова, Воробьевы горы, д.1, Москва

Мемристор — пассивный элемент электрической цепи, способный изменять свое сопротивление. Математически описывается как двухполюсный элемент. Вольт-амперная характеристика прибора нелинейная, обладает гистерезисом. Теория мемристора была создана в 1971 году профессором Леоном Чуа[1].

Теоретически устройства на основе мемристоров могут быть более емкими и быстрыми чем современная флеш-память. Также их блоки могут заменить RAM. Их умение «запоминать» заряд позволит отказаться от загрузки системы. В памяти компьютера отключенного от питания будет храниться его последнее состояние. Это позволит сделать компьютеры меньше и дешевле.

Лабораторный образец мемристора впервые был создан только в 2008 году в исследовательской лаборатории фирмы Hewlett-Packard[2]. Устройство представляет собой тонкую (50 нм) пленку, один слой которой состоит из изолирующего диоксида титана, а второй слегка обеднен кислородом. Оба слоя зажаты между двумя титановыми электродами. Вакансии кислорода во втором слое ведут себя как подвижные дырки с зарядом +2. Эти дырки создают допированный участок в слое диоксида титана, чье сопротивление значительно меньше, чем сопротивление недопированного участка. Граница между допированным и недопированным участками, а поэтому и эффективное сопротивление тонкой пленки, зависит от положения дырок. А это в свою очередь определяется их подвижностью и электрическим полем в допированном участке. Кислородные дырки мигрируют между слоями под действием приложенного к устройству электрического напряжения.

В 2008 году была опубликована статья В. Ерохина[3], в которой проводится описание работы мемристора на основе проводящего полимера полианилина. Рабочий принцип такого мемристора основан на значительной вариации электронной проводимости в тонкой (50 нм) проводящей полимерной (полианилин, ПАНИ) многослойной пленки в окисленном и восстановленном состояниях. Такие изменения проводимости вызываются и регулируются потоком ионов через полианилиновую пленку или из нее в местах соединения с твердым электролитом (допированный литием полиэтиленоксид, ПЭО). Мемристивность объясняется замораживанием ионов на своих местах при отключении поля.

Несмотря на положительные результаты этой работы, в схеме работы такого устройства остается много необъясненных явлений. Например использование твердого электролита ПЭО приводит к тому что параллельно на ток проходящий через элемент влияют два процесса, допирование полианилина и ток ионов лития. Авторы этого исследования объясняют наличие гистерезиса в вольт-амперной характеристике мемристора только движением ионов лития. Для исследования дрейфа ионов как функции приложенного напряжения были использованы флюоресцирующие рентгеновскими лучами ионы рубидия[4]. Это не позволяет изучить отдельно процесс допирования, который также может вносить существенный вклад в возникновение мемристивных свойств. Исследование этого процесса и являлось одной из задач данной работы.

Целью нашей работы являетсяизучение наногетрогенной системы проводящего полимера полианилина в нафионовой матрице, где полианилин является электрон-проводящим компонентом, замешанным с нафионом (ион-проводящий компонент) так, что возможна перколяция как электронов, так и ионов.

Наногетерогенный материал синтезировали двумя различными способами:1.Матричная полимеризация полианилина на нафионе и 2. Замешивание полианилина с нафионом в н-Метилпирролидоне. Мы осуществили подбор оптимальных для этой системы условий, в которой наиболее заметно будут наблюдаться свойства мемристивности (зависимости характеристик системы от предыстории ее функционирования), таких как мольное отношение анилина гидрохлорида к сульфогруппам нафиона, подбор растворителя, вида допирующих катионов. Изучение отвечающих свойству мемристивности процесса допирования-дедопирования полианилина.

В измерениях была использована двухэлектродная ячейка. Исследуемые образцы пленок помещались между двумя проводящими ITO стеклами, так чтобы не возникало прямого контакта между стеклами. Электроды прибора присоединялись к стеклам при помощи зажимов. Вся система погружалась в раствор. Использование жидкого электролита позволяет изучать процесс допирования-дедопирования собственно системы полианилина в нафионе, поскольку ионы лития не остаются на своих местах при отключении напряжения, как в схемах с твердым электролитом, а уходят в раствор.

Измерения проводились в двух режимах: плавное цикличное изменение напряжения и скачкообразное. Были выделены системы, в которых на вольт-амперной характеристике наблюдался гистерезис, что доказывает что мемристивность присуща окислительно-восстановительным процессам(допированию-дедопированию) в ПАНИ.

Мемристоры на основе полимеров имеют существенные преимущества перед мемристорами на основе твердого оксида титана, такие как простота получения, низкая стоимость. Для создания нейронных сетей на основе твердотельных мемристоров нужно создавать сложные матричные структуры, в то время как полимерные мемристоры могут собираться в сеть по механизмам более близким к природным (самосборка). Такие самособирающиеся нейронные сети на основе полимерных мемристоров являются перспективной целью наших исследований. Первым этапом на этом пути будет внедрение наночастиц благородных металлов (серебро, золото) в матрицы подобные объектам данного исследования и изучение возникновения проводящих мостиков – «связей» между частицами на наноуровне.

Списоклитературы.

1. Chua, Leon O, "Memristor—The Missing Circuit Element", IEEE Transactions on Circuit Theory CT-18 (5): 507–519 1971.

2. Strukov, Dmitri B; Snider, Gregory S; Stewart, Duncan R; Williams, Stanley R, "The missing memristor found", Nature 453: 80–83 2008.

3. Victor Erokhin & M.P. Fontana Electrochemically controlled polymeric device: a memristor (and more) found two years ago. Материал прислан автором.

4. Berzina T, Erokhina S, Camorani P Electrochemical Control of the Conductivity in an Organic Memristor: A Time-Resolved X-ray Fluorescence Study of Ionic Drift as a Function of the Applied Voltage ACS Aplied Materials & Interfaces Vol. 1 P. 2115-2118 2009