Мемристор изо льда-XI вместил четыре бита

Физики поместили одномолекулярный слой воды между графеновыми слоями и с помощью комплексного экспериментального и численного подхода доказали, что при этом образуется двумерный сегнетоэлектрический лед-XI. Оказалось, что его можно использовать в качестве надежной и энергонезависимой памяти. Авторы продемонстрировали это, записав четыре бита информации в один ледяной мемристор. Исследование опубликовано в Nature Communications.

Для молекул воды характерно сильное смещение электронных облаков в сторону кислорода. Этот факт наделяет их очень большим дипольным моментом. При наложении электрического поля молекулы воды охотно выстраиваются вдоль силовых линий поля, что выражается через ее необычайно высокую диэлектрическую проницаемость.

Такие свойства заставили физиков почти сто лет назад ожидать, что вода, а точнее ее твердое состояние — лед — может демонстрировать сегнетоэлектрические свойства, то есть сохранение поляризуемости после снятия электрического поля. Однако, несмотря на тщетные поиски, чистый лед с таким свойством обнаружен так и не был. По этой причине такие сегнетоэлектрические фазы получили название «неопознанные сегнетоэлектрические льды».

Главная причина, по которой не удается наблюдать чистый сегнетоэлектрический лед — это недостаточная энергетическая разница между упорядоченным и неупорядоченным расположением молекул. Вместе с тем уже известно, что близость к поверхности существенно меняет энергетические и кинематические свойства молекул воды, что может усилить эту разницу. Недавние теоретические исследования предсказали возникновение двумерного сегнетоэлектрического льда толщиной в одну молекулу между двумя слоями графена, однако до недавнего времени никому не удавалось подтвердить эти предсказания.

Физики из Тайваня и Чехии под руководством Япин Се (Ya-Ping Hsieh) из Академии Синика провели серию экспериментов над монослоем воды, зажатым между слоями графена. С помощью нескольких методов они подтвердили существование в нем сегнетоэлектрической ледяной фазы, а также исследовали электромеханические свойства получившегося интерфейса.

Авторы подвешивали один слой графена параллельно другому, а в пространство между ними закачивали воду. Приложение напряжения между ними приводило к взаимному прогибу обеих графеновых слоев вплоть до их полного контакта. В этом случае слои остаются разделены тонкой водяной пленкой толщиной в одну молекулу.

Физики применили три разных метода для подтверждения того, что вода в этом случае демонстрирует свойства, характерные для сегнетоэлектрического льда. На первом этапе они исследовали смещение рамановских линий по всей поверхности образца, вызванное контактом. Эти измерения позволили сделать вывод о том, что после снятия напряжения в подвешенной части графена наблюдается удвоение легирования p-типа по сравнению с исходным состоянием. Это свидетельствует об образовании большого дипольного момента в пространстве между слоями, что есть признак сегнетоэлектрической фазы.

Другой метод основан на измерении проводящих свойств интерфейса. В частности, физики строили вольтамперные характеристики контакта для различных длительностей поляризующих импульсов. Оказалось, что барьер инжекции убывает с ростом длительности импульса, что может быть объяснено динамикой выстраивания дипольных моментов каждой молекулы вдоль поля. Наконец, авторы провели серию измерений диэлектрической проницаемости в высокочастотном режиме. Ее зависимость от частоты оказалась монотонной, что указывает на простой дебаевский характер релаксации. Извлеченные с помощью соответствующей модели времена релаксации демонстрировали характерный гистерезис.

Эксперименты были дополнены симуляциями в рамках теории функционала плотности, которые подтвердили, что в рассматриваемой системе лед-XI — сегнетоэлектрическая форма льда — ведет себя стабильно и может объяснить наблюдаемые результаты. Физики также убедились в том, что только одномолекулярный слой льда обладает сегнетоэлектрическими свойствами. Для этого они сначала обжигали графеновые слои в вакууме, чтобы полностью удалить воду, а затем вводили ее в пространство интерфейса малыми дозами. Оказалось, что наблюдаемые ранее свойства исчезают, если воды слишком много.

Кроме того, ученые исследовали вопрос о том, как можно использовать гистерезисные свойства такого льда для энергонезависимого хранения информации. Оказалось, что изготовленный ими мемристор демонстрирует устойчивость своих свойств как со временем, так и после десятитысячного цикла включения/выключения. Кроме того, контактное сопротивление устройства оказалось монотонно зависящим от полязирующего напряжения, что позволило авторам надежно кодировать 16 его уровней, реализовав, таким образом, хранение четырех битов данных.

Обычный лед оказался замечательной платформой для исследования новых форм кристаллической фазы. Не так давно физики сообщили об открытии льда-XIX и суперионного льда.

Марат Хамадеев