Описание выполненных в 2017 году работ по проекту РНФ 16-19-00135

В ходе научных исследований за 2017 год нами была проведена экспериментальная и теоретическая работа по наблюдению новых эффектов синхронизации осцилляторов, в том числе с использованием мемристоров, а также изучены особенности электрического переключения переключателей планарного и сэндвич типов при масштабировании. Предложен альтернативный вид не электрической, а термической связи, имеющей перспективы для 3D интеграции осцилляторных сетей и организации связей вида все-со-всеми. Проведено исследование эффекта синхронизации на субгармониках, используемого для увеличения емкости классификации осцилляторной системы и распознавания образов, а также синхронизации на длинные расстояния.
Описанные результаты в большей своей степени имеют универсальный характер и в дальнейшем могут быть применены к другим переключательным структурам, в том числе на основе полупроводниковых компонентов, для которых существует промышленная технология изготовления. 
1.     Методами электронной и лазерной литографии, с использованием магнетронного напыления, нами были изготовлены планарные переключательные структуры с величиной межэлектродного промежутка a в диапазоне от 500 до 3000 нм. Экспериментально было обнаружено снижение пороговых токов и напряжений, времен включения и выключения, а также пороговой мощности при уменьшении величины a. Используя численное моделирование, выявлены обобщенные формульные зависимости пороговых характеристик от масштаба области переключения и свойств пленки. 
 Наиболее интересным является оценка максимально достижимых частот при осцилляциях, поэтому нами было проведено моделирование непосредственно переключателя включенного в схему осциллятора.  Оценка собственной частоты F0 осцилляторов при фиксированной емкости (C=10 нФ) показывает, что F0 незначительно падает с уменьшением размеров переключательной структуры, несмотря на снижение временных характеристик переключения. В свою очередь, с уменьшением а, можно снижать минимальную емкость, при которой колебания вообще существуют, поэтому, при размерах области a~100 нм, максимальная частота осцилляций может приближаться к F0~20 МГц, а в некоторых случаях может достигать F0~300 МГц.
Показано, что для изучения физики переключения одиночных наноструктур удобно использовать сэндвич структуры, например, на основе аморфных анодных VO2 пленок, которые являются хорошими модельными объектами.  Для этих целей нами был разработан стенд на основе атомно-силового микроскопа СММ-2000, позволяющий получать топографические карты и карты распределения проводимости на изучаемом участке поверхности, до и после проведения электрической формовки (in situ).
С помощью стенда был изучен процесс электрической формовки в пленке оксида ванадия толщиной ~50 нм. Показано, что после формовки образуется модифицированный участок с повышенной проводимостью, соответствующий сформированному каналу диаметром ~500 нм, который в свою очередь состоит из наноканалов диаметром в диапазоне (10-100 нм). 
Сделан вывод, что на данном этапе предпочтительнее использовать планарные структуры, т.к сэндвич технология пока еще нуждается в электрической формовке канала. Тем не менее, сэндвич структуры на основе аморфного VO2 перспективны, в будущем, для разработки технологии 3D интеграции элементов и миниатюризации.
2. Показано, что существуют возможности эффективного применения мемристоров обоих типов в осцилляторных контурах, однако, для униполярной резистивной памяти переход между состояниями требует более сложных схем с наличием управляемого ограничителя по току. Для биполярной памяти схемная реализация перехода между состояниями значительно проще, так как в осцилляторной цепи, на определенных ветках, можно создать условия поочерёдного возникновения импульсов положительной и отрицательной полярности. 
Показано, что биполярная память проявляет свойство мультистабильности, когда сопротивление низкоомного состояния может меняться в широком диапазоне значений. Здесь уместно говорить о квазистабильном состоянии, т.к сопротивление ячейки зависит не только от величин приложенных напряжений, но и является функцией времени. Такое поведение физически связано с полевым управлением концентрацией кислородных вакансий в межэлектродном промежутке, за счет электрополевой миграции. При положительной полярности их концентрация возрастает, при этом со временем наблюдается обратная диффузия, что приводит к восстановлению равновесных значений сопротивления. 
Двухэлектродные сэндвич МОП(МОМ) структуры на основе оксидов Ti, Ta, Nb, V формировались нами методами реактивного магнетронного распыления и анодного окисления. В большинстве случаев биполярная память наблюдается без предварительной формовки, что является несомненно плюсом, а проведение формовки обычно приводит к возрастанию токов включенного состояния и подавлению мультистабильности.  
Анодные аморфные пленки ниобия и ванадия представляются нам хорошими кандидатами на роль мультистабильной биполярной памяти, за исключением одного минуса – использования жидкого электролита. Таким образом, сделан вывод, что биполярная память с мультистабильными состояниями на основе представленных оксидов может претендовать на роль элементов для моделирования синаптической пластичности нейронной сети.
3.  Нами была разработана схемотехническая модель биполярной памяти, которая по динамике ВАХ очень напоминала квазистабильное поведение реальных ячеек. Здесь использовалась аналогия концентрации вакансий к величине напряжения на конденсаторе, которая зависела не только от амплитуды входных напряжений, но и от времени, за счет процессов зарядки и разрядки емкости через сопротивления.  
Модельная ячейка (мемристор) была использована нами в схемах одиночного и двух связанных контуров. В первом случае мы обнаружили очень интересный режим работы схемы, когда вид осциллограмм напряжения на мемристре напоминает пачечную (взрывную) активность нейрона, и обусловлен последовательной сменой режимов работы одиночного осциллятора. 
Целью создания схемы связанных осцилляторов с ячейкой памяти являлось моделирование процесса обучения. Мемристор часто используется при моделировании нейронных систем организмов, как элемент, позволяющий симулировать эффект синаптической пластичности, выражающийся в увеличении силы синаптической связи при активации постсинаптических рецепторов. Для моделирования эффекта синаптической пластичности мы использовали два нейрона-осциллятора, соединенных мемристором и последовательной емкостью. Емкость была необходима для реализации практически униполярных импульсов напряжения на ячейке памяти при осцилляциях. Первый осциллятор, работающий в нормальном режиме, возбуждает второй осциллятор, который находится в подпороговом режиме, в котором значение питающего тока незначительно ниже, чем необходимое для возникновения осцилляций. Под воздействием импульсов напряжения сопротивление мемристора начинает уменьшается, что равносильно усилению электрической связи между контурами. При падении сопротивления мемристора до некоторого порогового уровня, инициируется включение второго осциллятора. 
Таким образом, нами была показана динамика работы одиночного и двух связанных осцилляторов, с включенным в схему мемристором, которые моделируют эффекты пачечной активности и синаптической пластичности нейронов, а также связанный с ними процесс обучения.
4. Разработана схема двух термически связанных осцилляторов с нагрузочными сопротивлениями (Rx, Ry), представляющими собой   матрицу 3×3 фоторезистивных преобразователей. В одном поле матрицы находятся два гальванически развязанных фоторезистора, которые засвечиваются одновременно, а сама матрица представляет собой сенсор засвечиваемых образов (фигур).  Каждой фигуре соответствует определенный набор светлых и темных полей и определенные значения Rx и Ry, а значит и свое SHR (при соответствующем подборе статических параметров схемы). Таким образом, данная система из двух осцилляторов может классифицировать и распознавать образы с учетом симметрии фигур.
5. В результате проведенных экспериментальных исследований и численного моделирования динамики развития канала переключения в планарных структурах на основе диоксида ванадия установлены закономерности поведения времен перехода из высокоомного в низкоомное состояние и обратно в зависимости от амплитуды и длительности импульса и величины опорного напряжения. Полученные данные, в совокупности с результатами расчета и измерений температуры в канале переключения, свидетельствуют об определяющей роли в процессе переключения фазового перехода “металл−полупроводник” в диоксиде ванадия, стимулированного джоулевым разогревом. 
Предложен альтернативный вид не электрической, а термической связи, имеющей перспективы для трехмерной интеграции осцилляторных сетей и организации связей вида все-со-всеми и эффекта синхронизации на субгармониках.
Термическая связь между осцилляторами осуществляется за счет распространения тепла через подложку, на которой находятся элементы осцилляторов.  Для этого необходимо, чтобы элементы цепи при генерации колебаний могли играть роль источника тепла переменной мощности (подойдет любой резистивный элемент по которому течет переменный ток, в том числе сам переключательный элемент) и, одновременно, параметры окружающих осцилляторов должны иметь сильную зависимость от температуры (например, пороговое напряжение переключателя имеет сильную зависимость от температуры). 
Получены расчетные зависимости радиусов термической связи RTC, соответствующие ΔT ~ 0.2 K, от величин емкости и ограничительного сопротивления. Это доказывает возможность управления силой и радиусом связи не только статическими величинами, такими как расстояние между структурами и тепловыми константами подложки, но также и динамическими, варьируя параметры схемы.
Экспериментальное и численное изучение колебаний двух термически связанных осцилляторов привело нас к явлению синхронизации на субгармониках (частичной синхронизации). Это явление заключается в том, что синхронизация может происходить на неосновных (кратных) гармониках спектра осцилляций. 
Был разработан достаточно простой, но эффективный алгоритм, основанный на фазовом подходе, который определяет наличие эффекта синхронизации, эффективность синхронизации µ и значение SHR (отношение номеров гармоник на частоте синхронизации). 
Рассчитана карта синхронных состояний в пространстве питающих токов, имеющая вид языков Арнольда. Для случая сильной связи, соответствующей эксперименту по параметрам и уровню шума, было получено 12 различных состояний. Для других параметров системы, с меньшим уровнем шума, количество возможных состояний может значительно возрастать, и при учете 20 первых гармоник доходить до 200. 
 Таким образом, эффект синхронизации на субгармониках обладает большой емкостью классификации и может быть использован в задачах распознавания образов.
6.  Показано, что эффект синхронизации на большие расстояния может наблюдаться в цепочке термически связанных осцилляторов, при этом параметр синхронизации (SHR) между крайними элементами цепи выражается через произведение SHR соседних осцилляторов. Таким образом, эффект синхронизации на субгармониках позволяет реализовать синхронизацию на большие расстояния, через попарное взаимодействие осцилляторов составляющих цепочку связи. Показано, что при варьировании токов питания двух первых осцилляторов (I1, I2) в цепочке из N=100 осцилляторов, распределение SHR1,100, в пространстве управляющих токов, имеет градиент изменения только по оси I1, в отличии от двух-осцилляторной схемы, в то же время симметрия синхронных состояний осталась диагональной, что говорит о роли взаимного соотношения токов соседних осцилляторов в физике распространения синхронизма по цепочке. Однако области синхронизации распределены неравномерно, и не образуют яркой системы языков Арнольда. 
При варьировании токов питания центральных осцилляторов (I51, I52) мы получаем распределение одного единственного состояния SHR1,100=1/1, что, очевидно, связано с неизменными частотами крайних осцилляторов. Таким образом, соотношение I51 и I52 играет роль ключа, включающего или выключающего синхронизацию крайних осцилляторов.
7.  Основным методом для решения задачи распознавания образов, мы считаем, является использование явления синхронизации на субгармониках для увеличения емкости классификации осцилляторной системы. В работе исследовалась термическая связь, но аналогичные эффекты частичной синхронизации могут быть получены и на других видах связи (R- и C-типа), т.к физический механизм синхронизации на субгармониках является универсальным. 

65 просмотров всего, 1 просмотров сегодня

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *