а, Схематическое изображение мемристивного источника фотонов атомного масштаба (APS) с плазмонной наноантенной (выделено белым пунктирным прямоугольником), образующей кончики электродов Ag и Pt квазитреугольной формы. б, Наложение широкопольного изображения электролюминесценции с изображением оптической передачи от APS. Снимается электролюминесцентное изображение АПС, сопровождающееся резистивной разверткой напряжения переключения ВАХ. c, Схематическое изображение атомного источника фотонов, испускающего фотоны в процессе мемристивного переключения. Нить серебра растет от платины к электроду из серебра. Ярко-красное пятно представляет испускаемые фотоны в вероятном месте зазора атомного источника фотонов. Авторы и права: Боджун Ченг, Тилль-Морис Зеллвегер, Константин Мальхов, Синьчжи Чжан, Мила Леверенц, Элиас Пассерини, Ян Эшлиманн, Ули Кох.

Компактные КМОП-совместимые встроенные источники фотонов привлекли большое внимание научного сообщества и полупроводниковой промышленности. Поскольку размер элемента транзистора постоянно уменьшается, плотность интеграции и скорость переключения в интегральных электронных схемах увеличиваются в геометрической прогрессии. Это приводит к все большему рассеиванию мощности от электрических соединений между элементами схемы. Оптические (фотонные) межсоединения и их основной элемент — встроенный источник фотонов — представляют собой многообещающую альтернативу для обхода этого ограничения. Однако наиболее многообещающие современные встроенные источники фотонов обычно имеют размер микрометра — в 1000 раз больше, чем транзисторы, и не допускают крупномасштабной интеграции. Мемристоры с активной площадью в нанометровом или даже атомном масштабе,

В недавней статье, опубликованной в журнале Light: Science & Applications, исследователи из ETH Zurich и Университета Бургундии демонстрируют мемристоры атомного масштаба, способные излучать фотоны во время резистивного переключения. Этот «атомный источник фотонов», как он упоминается в документе, состоит из плоского Ag/аморфного SiO _x/Pt со специально разработанными электродами, формирующими оптические антенны, для значительного повышения эффективности излучения. Иллюстрация структуры устройства изображена на рисунке 1а. Как показано на рисунке 1b, излучение света от «Атомного источника фотонов» может быть обнаружено ПЗС-камерой. Как показано на рисунке 1c, свет излучается во время формирования электрического соединения между двумя электродами, состоящего из атомов серебра, которые собираются в металлическую нить.

Далее исследователи объясняют происхождение светового излучения в «Атомном источнике фотонов». С помощью ряда экспериментов они демонстрируют, что излучение света связано с перестройкой атомов аморфного SiOx, вызванной резистивным переключением. Атомный состав локально изменяется, образуя люминесцентные участки. Затем эти участки электрически возбуждаются и испускают фотоны в процессе излучательной релаксации.

Благодаря своим компактным размерам и КМОП-совместимому производству этот «атомный источник фотонов» потенциально может запустить новую концептуальную парадигму для устройств, работающих на атомном уровне, с электрическими и оптическими функциями, встроенными в один и тот же наноразмерный компонент. Таким образом, он устраняет несоответствие размеров между современными источниками фотонов микрометрового размера на кристалле и электрическими устройствами нанометрового размера.

Мемристоры — это новая категория устройств, работающих в режиме нанометрового масштаба, основанных на различном наборе эффектов атомного масштаба, которые позволяют настраивать значение сопротивления устройств до желаемого значения. В случае памяти с электрохимической металлизацией (ECM), типа мемристоров, исследованных исследователями, устройства состоят из простого и удобного для КМОП асимметричного стека металл-изолятор-металл. При приложении напряжения активный атом металла окисляется до ионов, блуждает по электрическому полю через изолятор к пассивному электроду и в конечном итоге образует проводящую металлическую нить нанометрового размера.

Этот процесс можно обратить вспять и повторить, а данные можно сохранить как сопротивление между электродами (состояние сопротивления). Помимо памяти высокой плотности, мемристоры в настоящее время привлекают большое внимание к своим приложениям, в которых они превосходят технологию CMOS, таким как нейроморфные вычисления и вычисления в памяти. Интересно, что мемристоры также могут быть выгодно объединены с оптическими функциями: были введены мемристивно управляемые оптические переключатели и фотодетекторы. Тем не менее, до сих пор фотонная работа мемристора основывалась на внешних или коинтегрированных источниках фотонов.