Описание выполненных в 2016 году работ по проекту РНФ 16-19-00135

1)	Разработана технология изготовления переключательных элементов планарного типа на основе VO2 пленок с фазовым переходом металл – изолятор (ФПМИ). Тонкие (~200 нм) пленки диоксида ванадия получались методом DC магнетронного напыления с последующим отжигом в атмосфере кислорода (10 мТорр, 480°C, t = 40 минут). Лучшими для электрического переключения являются пленки нестехиометрического VO2, со скачком удельного сопротивления при ФПМИ до двух порядков, с температурой фазового перехода ~60°C (по сравнению с Tt ≈ 70°C в стехиометрическом VO2) и повышенной проводимостью. Методами оптической литографии и lift-off процесса сформированы планарные переключательные структуры с электродами в виде двухслойных V-Au металлических контактов толщиной порядка 50 нм и с межэлектродным зазором ~ 2,5 мкм; ширина электродов составляла ~10 мкм. ВАХ переключателя имеет S-образный вид с пороговым напряжением 1-15 В; скачок тока при пороговом напряжении включения Vth составляет ~10, при напряжении выключения Vh скачок ~5, динамические сопротивления во включенном Ron и выключенном Roff состояниях составляют ~40 Ом и ~1,1 кОм, соответственно. Статическое сопротивление во включенном состоянии имеет нелинейный характер и изменяется от 40 до 200 Ом в диапазоне напряжений от Vh до Vth.
Данная технология позволила получить двухэлектродные структуры со стабильным эффектом электрического переключения, выдерживающие более 10Е8 циклов переключения, а также устанавливать переключатели в макетные платы, для дальнейшего изучения в условиях вакуума. 
2)	Для наблюдения автоколебаний, на основе VO2 переключателя собрана схема одиночного колебательного контура. Последовательное сопротивление Rs и напряжение питания Vdd (в диапазоне от 20 до 100 В) подбираются таким образом, чтобы нагрузочная прямая проходила через участок отрицательного дифференциального сопротивления (ОДС), что является условием возникновения осцилляций. Путем вариации условий и режимов получения пленок (в частности, t отжига), подобраны оптимальные параметры, при которых достигается минимальное значение Vth и максимальное   отношение токов Ih/Ith. Это обеспечивает максимальный наклон ОДС и лучшую стабильность получаемых осцилляций. 
На основе программы LTSpice создана модель VO2-переключателя, описывающая поведение переключательной структуры. Экспериментальные осциллограммы автоколебаний падения напряжения на переключателе и спектр колебаний с высокой степенью точности совпадают с соответствующими теоретическими кривыми, полученными в рамках данной модели. Зафиксировано уширение спектральных пиков, связанное с наличием шума в предпороговых областях, что приводит к слабой частотной модуляции автоколебаний хаотическим сигналом; наблюдались эффекты стохастического резонанса.
При исследовании одиночного контура обнаружено явление бистабильности, заключающееся в управляемом включении и выключении автоколебаний внешним импульсом. Данный эффект обусловлен наличием общего разогрева структуры в силу того, что за один период автоколебания канал переключения не успевает остыть до равновесной температуры. Для прекращения автоколебаний подается импульс обратной полярности с амплитудой, достаточной для выключения переключателя и длительностью, равной времени остывания канала до равновесной температуры. Указанный эффект может быть использован для создания осцилляторных элементов памяти и реализации режима импульсной связи в искусственных нейронных сетях. 
3)	Показано, что электронно-лучевая модификация (ЭЛМ) существенным образом изменяет параметры ФПМИ, снижает температуру перехода Tt и приводит к общему снижению сопротивления полупроводниковой и металлической фаз. Уменьшение Roff и Tt в свою очередь снижает Vth.  
Проведен квантово-химический расчет энергий образования кислородных вакансий и миграции кислорода в моноклинной и тетрагональной фазах диоксида ванадия. Показано, что диффузия в обеих фазах диоксида ванадия имеет преимущественное направление миграции кислорода вдоль кристаллографической оси а в моноклинной фазе (T < Tt) и оси с в тетрагональной фазе рутила (T > Tt). Различие в темпе генераций кислородных вакансий при электронно-лучевом воздействии выше и ниже температуры ФПМИ объясняется скачком (~1,5 раза) энергии активации диффузии кислорода при структурном фазовом переходе, что изменяет подвижность кислорода (кислородных вакансий) более чем на порядок. Расчеты электронных структур кристалла проводились в программном пакете Quantum Espresso.
Исследована ЭЛМ пороговых параметров ВАХ VO2-переключателя и частоты автоколебаний осциллятора на его основе. Показано, что ЭЛМ, проводимая в вакууме, носит обратимый характер и параметры восстанавливаются при экспозиции на воздухе с давлением 150 Па. При ЭЛМ с дозой 3 Кл/см2 напряжения Vth и Vh, а также сопротивление в выключенном состоянии Roff, уменьшаются до 50% от исходных значений.  Частота осцилляций возрастает на 30% при ЭЛМ с дозой 0,7 Кл/см2. Физический механизм наблюдаемых процессов связан с окислительно-восстановительными реакциями и образованием кислородных вакансий в результате ЭЛМ с учетом вышеописанного различия вкладов металлической и полупроводниковой фаз канала переключателя. 
Управляемая модификация позволяет проводить электронно-лучевую формовку переключателей с заданными параметрами, а также ЭЛМ может быть использована в искусственных осцилляторных нейронных сетях для распознавания образов на основе частотной манипуляции (frequency shift keying). 
4)	Проведено численное моделирование динамики осцилляций, с учетом изменения параметров переключателя при ЭЛМ, а также расчет временных характеристик и распределения температуры в канале переключателя. При этом применяется два подхода: 1) использование стандартных математических комплексов, которые могут предсказывать работу электрических схем (пакет LTSpice) и моделировать физические процессы в микроструктурах (пакет COMSOL Multiphysics); 2) создание собственных программных комплексов, использующих первопринципные методы и аналитическая оценка параметров осцилляций простейших схем.
Показано, что теоретические (полученные с помощью численного моделирования) кривые с высокой точностью соответствуют экспериментальным данным, в частности, таким как зависимости частоты осцилляторов от дозы облучения при ЭЛМ, временные характеристики восстановления после ЭЛМ в металлической и полупроводниковой фазах, а также стационарные ВАХ и распределение температуры в планарном переключателе.
5)	Исследована динамика переключения двух связанных осцилляторов на основе VO2 с резистивной и емкостной связью, а также показана принципиальная возможность их применения в осцилляторных нейронных сетях. Построена адекватная SPICE модель для описания режимов работы связанных осцилляторных контуров. Установлены физические механизмы, определяющие времена прямого и обратного электрического переключения, которые, в свою очередь, определяют пределы применимости предложенной модели.
Для резистивной связи показано, что синхронизация происходит при определенном значении сопротивления связи, однако она является нестабильной и периодически происходит сбой синхронизации. При минимальной величине связи не наблюдается ни частотной ни фазовой синхронизации осцилляторных контуров. При резистивной связи в диапазоне 3 кОм < Rcoup < 10 кОм наблюдается постепенное нерегулярное искажение формы автоколебаний напряжения. Данное изменение связано с шунтированием одного переключателя другим при их взаимном переключении в высокопроводящую фазу. В этом диапазоне резистивной связи наблюдается искажение спектров с появлением новых гармоник при взаимомодуляции, и колебания в целом имеют квазипериодических характер.
Для емкостной связи наблюдаются два режима синхронизации: со слабой и сильной связью. Переход между этими режимами сопровождается хаотическими колебаниями. Переход к хаосу происходит по механизму удвоения периода. Обнаружено уменьшение ширины гармоник спектра в режиме слабой связи, и ее увеличение в режиме сильной связи. Таким образом, осцилляторы, связанные с помощью емкостей, показали большее разнообразие режимов работы по сравнению с резистивной связью. При емкостной связи осцилляции контуров наблюдаются во всем диапазоне значений Сcoup. В режиме слабой связи при увеличении номинала связующей емкости, частоты осцилляторов сближаются, и после порогового значения Сcoup ~ 2,5 нФ осцилляторы синхронизуются. В отличие от резистивной связи, разность фаз после синхронизации может управляемо меняться в широком диапазоне (от 30º до 170º), поэтому использование такого типа связи в системах распознавания образов, использующих схему распознавания на основе сдвига фаз (phase shift keying), является более предпочтительным. 
В качестве применения рассмотренных систем связанных осцилляторов продемонстрирована совместная работа R- и С-связи в ансамбле из четырех осцилляторов для моделирования центрального генератор ритма (ЦГР). 
6)	Исследовано влияние электронного облучения на синхронизацию связанных осцилляторов. Исходные частоты осцилляторов составляли 850 Гц и 770 Гц, что не обеспечивало синхронизацию при емкостной связи Сcoup = 10 нФ. Для установления синхронизации частота одного из осцилляторов изменялась при помощи ЭЛМ. Показано, что синхронизация устанавливается при дозе облучения ~1 Кл/см2, а при дальнейшем облучении происходит десинхронизация.
Продемонстрирован отклик осцилляторной системы на электронно-лучевое воздействие, где важным аспектом является направление изменения частот при ЭЛМ, а также то, что даже при наличии зашумлённости параметра частоты осцилляций, по поведению разности фаз можно достаточно точно предсказать возникновение синхронизации. Поэтому метод фазового детектирования синхронизации здесь может являться ключевым методом для анализа осцилляторных нейронных сетей.  
7)	Электрическая схема автоколебательного контура была дополнена последовательно включенным фоторезистором. Показано, что освещенность фотосопротивления влияет на частоту колебаний. Найдены значения освещенности, при которых наблюдались устойчивые автоколебания в схеме (1,25 – 4,1 лк, фоторезистор GL5516). При освещенности I < 1,25 лк переключатель находился в устойчиво выключенном состоянии, а при I > 4,1 лк – в устойчиво включенном. Данный способ управления параметрами автоколебаний в схемах на основе VO2-переключателей аналогичен вышеописанному способу с использованием ЭЛМ, однако необходимость ЭЛМ самого переключателя не всегда может быть целесообразна в связи со сложностью системы электронного экспонирования и необходимостью наличия вакуума. 
8)	 Проведено моделирование функции распознавания образ-векторов с использованием метода фазовой синхронизации осцилляций. Методика распознавания при использовании такой системы заключается в установлении начальной (входной) разности фаз Δφt (входной фазовый вектор) и выявление спустя время Δts конечной разности фаз Δφi,j, являющейся одним из запомненных собственных образ-векторов. В ходе модельного эксперимента использованы три одиночных осцилляторных контура на основе VO2-переключателей, которые были соединены через связующие емкости, по топологии «звезда». Для моделирования использовалась среда NGSpice с программой автоматизации модельного эксперимента (написанной на Си) для расчетов в условиях вариации значений параметров схемы. Результаты моделирования показали, что время стабилизации фазы тем меньше, чем меньше разница между входным и собственным фазовым вектором, а актом распознавания является выявление «победителя» (критерий наименьшего времени) из набора входных векторов.

99 просмотров всего, 1 просмотров сегодня