Результаты 2019 года

В 2019 году получены следующие научные результаты:

1. Проведено компьютерное моделирование стохастических микроскопических явлений, ответственных за перестройку атомной структуры оксидных материалов под действием электрического поля и тока (джоулева разогрева). Представлен оригинальный подход для моделирования закономерностей и параметров резистивного переключения, основанный на методе кинетического Монте-Карло моделирования стохастической миграции кислородных вакансий / ионов в металл-оксидных мемристивных структурах. Создан алгоритм и программа для КМК-расчета процессов электроформовки и переключения, корректно описывающие наблюдаемые экспериментально ВАХ, их разброс от цикла к циклу и отклик мемристора на импульсные воздействия.

1.1 Эффективность компьютерной модели продемонстрирована на экспериментально реализованных структурах Au/oxide/TiN, в которых в качестве оксидного материала использованы поликристаллические пленки стабилизированного иттрием диоксида циркония (ZrO2(Y)). Показано, что предложенный алгоритм обеспечивает динамический учет меняющегося распределения электрического потенциала и температуры с ростом филамента произвольной формы, а также влияние кислородного обмена на интерфейсе.

1.2 Эффективность компьютерной модели продемонстрирована на экспериментально реализованных аморфных пленках SiOx со столбчатой структурой, полученные методом магнетронного распыления. Показано, что особенностью предлагаемого алгоритма является его гибкость, так как лежащий в его основе подход может быть применен к различным оксидным МС с внесением (при необходимости) корректив, учитывающих особенности этих МС. При этом данный подход не требует времязатратных вычислений и некритичен к вычислительной мощности компьютера.

2. Проведена экспериментальная верификация прогнозных моделей.

2.1 Проведена экспериментальная верификация стохастической модели мемристивного устройства на основе многослойной структуры Au/Ta/ZrO2(Y)/Ta2O5/TiN/Ti. Показывано, что спредложенная стохастическая модель способна адекватно воспроизводить фундаментальные свойства резистивного переключения, такие как гистерезисная ВАХ и ее зависимость от частоты развертки управляющего напряжения.

2.2 Произведены измерения эволюции вероятностных распределений сопротивления мемристора изготовленного на базе ZrO2(Y)/Ta2O5 и SiO2, а также виртуального мемристора в контакте зонда АСМ к поверхности пленок ZrO2(Y). Наблюдалось отсутствие принципиальных различий в эволюции распределений под действием внешнего шума в обеих структурах.

Это свидетельствует, что наблюдаемые закономерности поведения мемристоров характеризуют фундаментальные свойства мемристора стохастической системы безотносительно материала функционального диэлектрика или размера контактов. Обнаружено, что распределения под действием внешнего шумового сигнала со временем изменяются и приходят к стационарному состоянию. Процесс перехода может занимать значительное время порядка нескольких часов. Обнаружено, что стационароные распределения имеют единственный максимум. Обнаружен эффект переходной бимодальности. Эти свойства противоречат термодинамической и соответствуют стохастической прогнозной модели.

3. Проведено экспериментальное исследование процессов деградации в мемристивных структурах на основе тонких плёнок Si3N4 и ZrO2(Y). Первый тип тонких пленок (SN6) – Si3N4/SiO2/Si; подложка n++-Si(001); слой SiO2 – 2 нм; слой Si3N4 – 6 нм. Второй - (SN8) – Si3N4/Si; подложка n++-Si(001); слой Si3N4 – 6 нм. Для каждой структуры измерения проводились в двух состояниях: СВС и CНС

3.1 Дано описание исследуемых структур SN6 и SN8, описана методика измерений. Длительность отдельной записи составляла порядка 1 или нескольких минут. Обнаружено, что статистические характеристики шума практически не зависят от наличия контакта.

3.2 Проведен анализ структуры SN6. Показано что экспериментальные данные демонстрируют нестационарность шума.

3.3 Проведен анализ структуры SN8. Показано что экспериментальные данные демонстрируют нестационарность шума

3.4 Проведен анализ структуры SN8 при частоте взятия отсчётов 2 056 Гц. Подтверждено что экспериментальные данные демострируют нестационарность шума, которые проявляются в необратимом переходе структуры из СНС в СВС в течение отдельного цикла измерений.

3.5 Произведено сравнение структур SN6 и SN8. Экспериментальные данные для обеих структур демонстрируют нестационарность шума. Проведен анализ процессов деградации в этих структурах. Показано, что наличие дополнительного слоя SiO2 в образце SN6 приводит к уменьшению НЧ шума по сравнению с образцом SN8, в котором этот слой отсутствует. Однако отмеченное уменьшение шума сопровождается уменьшением времени жизни образца, то есть ускорением процессов деградации.

3.6 Проведено экспериментальное исследование процессов деградации в многослойных мемристивных структурах на основе ZrO2(Y)(10 нм) / Ta2O5(10 нм) в составе микроустройств путём подачи последовательностей считывающих и программирующих импульсов напряжения. Установлено, что максимальное число переключений зависит от параметров конкретного мемристора и их разброса. Большинство структур демонстрируют резистивное переключение с количеством циклов переключения 1⋅105 – 1⋅106 без изменения параметров переключающих импульсов напряжения.

4. Разработана физическая макромодель мемристора с учетом влияния внешних и внутренних шумов и проведено сопоставление ее с микромоделями физико-химических явлений, ответственных за резистивное переключение.

4.1 Разработана физическая макромодель мемристора с учетом влияния внешних и внутренних шумов. Рассмотрены граничные условия, соответствующие различным материалам электродов.

4.2 Проведен аналитический анализ полученной физической макромодели. Рассмотрены стационарные и не стационарные решения управляющих уравнений и проанализированы их свойства. Показано, что эффективный коэффициент диффузии дефектов в диэлектрике может иметь немонотонную зависимость от интенсивности флуктуаций. Обнаружен эффект задержки распада нестабильных состояний шумом. Определены параметры для его наблюдения в эксперименте.

4.3 На основе анализа микромодели диффузионных скачков получена оценка скачка тока, обусловленного единичным актом диффузии иона кислорода внутри филамента: i0 ≈7×10–13 А. Анализ спектральных характеристик флуктуаций тока показал хорошее согласие исходных экспериментальных данных и результатов моделирования.

4.4 Разработана физико-математическая макромодель мемристивной динамической системы, которая откалибрована по оригинальным экспериментальным данным и учитывает влияние внутренних шумов через флуктуации параметров микроскопических физико-химических явлений, ответственных за резистивное переключение. Разработанная модель адекватно описывает разброс параметров резистивного переключения и его зависимость от частоты (скорости развертки).

4.5 Разработан метод исследования корреляционных свойств квантовых моделей мемристивных систем. Метод включает геометрические и топологические инструменты, которые эффективны для обнаружения резких изменений в квантовых моделях мемристора. На основе теории квантовой оценки разработан новый инструмент для количественной оценки «квантованности» мемристивного механизма переключения.

4.6 Проведено исследование двух макромоделей идеального мемристора с внешним гауссовым шумом. Проанализированы различные шумовые воздействия в виде белого и цветного гауссова шума. Обнаружено отсутствие установившегося вероятностного распределения сопротивления мемристора в рамках рассмотренных моделей.

5. Разработаны алгоритмы и проведена апробация новых нейросетевых архитектур на основе мемристивных устройств.

6. Опубликовано 12 статей в научных изданиях, индексируемых в базе данных «Web of Science» (в т.ч. 7 статей в журналах из Q1).

В Таблице 6.1 приведены научные статьи, опубликованные членами научного коллектива по направлению научного исследования за 2019 год.

п/п	Название статьи	Фамилия, имя, отчество (при наличии) авторов, являющихся членами научного коллектива лаборатории			Название издания	Год, месяц (том, выпуск)	Импакт-фактор издания	Квартиль (WoS)
п/п	Название статьи	Фамилия	Имя	Отчество (при наличии)	Название издания	Год, месяц (том, выпуск)	Импакт-фактор издания	Квартиль (WoS)
1	Measurement of the activation energies of oxygen ion diffusion in yttria stabilized zirconia by flicker noise spectroscopy	Якимов Филатов Горшков Антонов Антонов Каролло Спаньоло	Аркадий Дмитрий Олег Дмитрий Иван Анджело Бернардо	Викторович Олегович Николаевич Александрович Николаевич - -	Applied Physics Letters	2019, 06 (114)	3.521	Q1
2	Nonstationary distributions and relaxation times in a stochastic model of memristor	Агудов Сафонов Кричигин Харчева Дубков Гусейнов Белов Михайлов Каролло Спаньоло	Николай Алексей Алексей Анна Александр Давуд Алексей Алексей Анджело Бернардо	Викторович Владимирович Владимирович Александровна Александрович Вадимович Иванович Николаевич - -	Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment	2019 accepted	2.371	Q1
3	Noise-induced resistive switching in a memristor based on ZrO₂(Y)/Ta₂O₅ stack	Филатов Вржец Табаков Новиков Белов Антонов Коряжкина Михайлов Горшков Дубков Спаньоло	Дмитрий Дарья Олег Алексей Алексей Иван Мария Алексей Олег Александр Бернардо	Олегович Валерьевна Викторович Сергеевич Иванович Николаевич Николаевна Николаевич Николаевич Александрович -	Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment	2019, December (2019, №12)	2.371	Q1
4	Experimental investigations of local stochastic resistive switching in yttria stabilized zirconia film on a conductive substrate	Филатов Новиков Антонов Круглов Антонов Коряжкина Горшков Дубков Каролло Спаньоло	Дмитрий Алексей Дмитрий Александр Иван Мария Олег Александр Анджело Бернардо	Олегович Сергеевич Александрович Валерьевич Николаевич Николаевна Николаевич Александрович - -	Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment	2019 accepted	2.371	Q1
5	Memory effect and generation-recombination noise of magnetic monopoles in spin ice	Клюев Якимов	Алексей Аркадий	Викторович Викторович	Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment	2019, September (2019, No.9)	2.371	Q1
6	On quantumness in multi-parameter quantum estimation	Каролло Спаньоло Дубков	Анджело Бернардо Александр	- - Александрович	Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment	2019, September (2019, No.9)	2.371	Q1
7	Haldane model at finite temperature	Спаньоло Дубков Каролло	Бернардо Александр Анджело	- Александрович -	Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment	2019, September (2019, No.9)	2.371	Q1
8	Neurohybrid Memristive CMOS-Integrated Systems for Biosensors and Neuroprostetics	Михайлов Пимашкин Герасимова Грязнов Демин Спаньоло	Алексей Алексей Светлана Евгений Вячеслав Бернардо	Николаевич Сергеевич Александровна Геннадьевич Александрович -	Frontiers in Neuroscience	2019 under review	3.648	Q2
9	Yttria-stabilized zirconia cross-point memristive devices for neuromorphic computing	Демин Белов Королев Грязнов Павлов Горшков Михайлов	Вячеслав Алексей Дмитрий Евгений Дмитрий Олег Алексей	Александрович Иванович Сергеевич Геннадьевич Алексеевич Николаевич Николаевич	Microelectronic Engineering	2019, 07 (215)	1.654	Q3
10	Adaptive Properties of Spiking Neuromorphic Networks with Synapses Based on Memristive Elements	Демин	Вячеслав	Александрович	Technical Physics Letters	2019, 05 (45, 4)	0.773	Q4
11	Mechanisms of Current Transport and Resistive Switching in Capacitors with Yttria-Stabilized Hafnia Layers	Тихов Горшков Белов Антонов Коряжкина Михайлов	Станислав Олег Алексей Иван Мария Алексей	Викторович Николаевич Иванович Николаевич Николаевна Николаевич	Technical Physics	2019, 06 (64, 6)	0.637	Q4
12	Study of Local Charge Accumulation in ZrO₂(Y) Films with Au Nanoparticles by Kelvin Probe Force Microscopy	Коряжкина Филатов Антонов	Мария Дмитрий Иван	Николаевна Олегович Николаевич	Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques	2019, 03 (13, 1)	0.339	Q4

7. Принято участие в 12 международных конференциях, научных семинарах, симпозиумах по тематике работы лаборатории (за счет средств субсидии).

В Таблице 7.1 приведены данные об участии членов научного коллектива в научных конференциях, семинарах и симпозиумах по направлению научного исследования за 2019 год (за счет средств субсидии).

№ п/п	Наименование мероприятия	Место проведения мероприятия		Организатор мероприятия	Название докладов, сделанных ведущим ученым и (или) членами начного коллектива лаборатории
№ п/п	Наименование мероприятия	страна	город	Организатор мероприятия
1.	25th International Conference on Noise and Fluctuations (ICNF 2019)	Швейцария	Невшатель	Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)	Probabilistic analysis of two models of ideal memristor with external noise
					Noise-delayed decay for Levy flights in unstable parabolic potential
					Generation-recombination noise of magnetic monopoles in spin ice
					Determination of activation energies of oxygen ion diffusion in memristor systems from the flicker noise spectrum
2.	32nd Marian Smoluchowski Symposium on Statistical Physics	ПОЛЬША	Краков	Jagiellonian University, Faculty of Physics, Astronomy and Applied Computer Science	Problems in creating adequate stochastic model of memristors
3.	Italian National conference on the Physics of Matter (FisMat 2019)	ИТАЛИЯ	Катания	University of Catania	Multistability in nonlinear systems with colored noise and applicability of UCNA
3.		ИТАЛИЯ	Катания	University of Catania	Noise-driven dynamics in metastable and multistable far-from-equilibrium systems
4.	27th IUPAP International Conference on Statistical Physics, StatPhys27	АРГЕНТИНА	Буэнос-Айрес	Universidad de Buenos Aires	Role of noise in the switching dynamics of memristors
5.	Достижения и прорывные технологии Российских компаний в сфере DIGITAL	ИТАЛИЯ	Рим	Россотрудничество ООО «Инконсалт К»	Экспонаты и видеоматериалы по результатам фундаментальных и прикладных исследований мемристивных наноматериалов, устройств и систем
6.	2019 Future Chips Forum	КИТАЙ	Пекин	Университет Цинхуа	Towards memristive neurohybrid electronics: creating brain on chip
7.	IV International Conference on Modern Problems in Physics of Surfaces and Nanostructures	Россия	Ярославль	Ярославский государственный университет им. П. Г. Демидова, ЯФ ФТИАН РАН	Effect of ion irradiation and annealing on quantitative composition of SiO₂-based memristive structures
8.	ХХIII Всероссийская конференция “Рентгеновские электронные спектры и химическая связь"	Россия	Воронеж	Воронежский государственный университет	Исследование химического состава многослойных мемристивных систем на основе тонких диэлектрических пленок
9.	SIF2019	ИТАЛИЯ	Л'Аквила	SIF - Società Italiana di Fisica	Understanding stochastic dynamics in classical and quantum condensed matter systems: Multistability and metastability.
10.	"Наука будущего"	РОССИЯ	Сочи	ООО «Инконсалт К»	Noise-driven dynamics and metastability
11.	«Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика»	РОССИЯ	Саратов	ИРЭ РАН, СГУ	Out of equilibrium systems: noise-driven dynamics and metastability
12.	“New Trends in Nonequilibrium Stochastic Multistable Systems and Memristors” (nes2019)	ИТАЛИЯ	Эриче	ННГУ, Университет Палермо,	Nonequilibrium distributions and relaxation times in a stochastic model of memristor
					Memristive switching dynamics for symmetric three-stable profle based on the linear response theory
					From formal neural networks to memristor-based spiking neuromorphic systems: perspectives and open issues
					Stationary probabilistic characteristics of memristor in circuit with capacitor and colored Gaussian voltage source
					Noise-induced resistive switching studied by Conductive Atomic Force Microscopy
					Flicker noise spectroscopy as a tool for the measurement of activation energies of oxygen ion diffusion in memristor systemsat fifxed temperature
					Atomistic and dynamical stochastic models of metal-oxide memristive devices
					Multistability in nonlinear dynamical systems induced by influence of colored noises
					Towards implementation of collective dynamics of stochastic memristor-coupled artifcial neurons
					UNN interdisciplinary laboratory of stochastic multistable systems
					Memristor-based components for a bidirectional adaptive neural interface coupled with neuronal biocultures
					Equilibrium and non-equilibrium phase transitions: a mesure of quantumness
					Finite-temperature topological phase transitions in two-dimensional systems
					Statistical analysis of ZrO2(Y)/Ta2O5-based memristor response to white Gaussian noise
					Effect of irradiation with Si+ ions on resistive switching in memristive structures based on yttria-stabilized zirconia and silicon dioxide

8. В октябре 2019 года на базе Центра научной культуры г. Эриче (Италия) организована и проведена международная научная конференция "Новые тенденции в неравновесных стохастических мультистабильных системах и мемристорах" (New Trends in Nonequilibrium Stochastic Multistable Systems and Memristors, NES2019).

9. Поданы и зарегистрированы 3 заявки на выдачу патента РФ и 1 заявка на выдачу международного патента (PCT). Получен патент РФ на изобретение №2706207 от 14.11.2019 (заявка подана в 2018 году).

В Таблице 9.1 приведены данные о результате интеллектуальной деятельности, полученном членами научного коллектива по направлению научного исследования и зарегистрированном в 2019 году.

№ п/п	Вид объекта интеллектуальной собственности	Наименование объекта интеллектуальной собственности	Фамилия, имя, отчетство (при наличии) авторов, являющихся членами научного коллектива			Дата приоритета патента	Территория (страна) и срок действия	Наименование и реквизиты охранного документа (патента, свидетельства о регистрации и т.д.)
№ п/п	Вид объекта интеллектуальной собственности	Наименование объекта интеллектуальной собственности	Фамилия	Имя	Отчество (при наличии)	Дата приоритета патента	Территория (страна) и срок действия
1.	изобретение (ИП)	Способ изготовления мемристоров с наноконцентраторами электрического поля	Михайлов Белов Королев Зубков Антонов Сушков Шарапов Павлов Тетельбаум Горшков	Алексей Алексей Дмитрий Сергей Иван Артем Александр Дмитрий Давид Олег	Николаевич Иванович Сергеевич Юрьевич Николаевич Александрович Николаевич Алексеевич Исаакович Николаевич	26.11.2018	РФ 20 лет	Патент на изобретение №2706207 от 14.11.2019
2.	изобретение (ИП)	Способ изготовления мемристоров с наноконцентраторами электрического поля	Михайлов Белов Королев Зубков Антонов Сушков Шарапов Павлов Тетельбаум Горшков	Алексей Алексей Дмитрий Сергей Иван Артем Александр Дмитрий Давид Олег	Николаевич Иванович Сергеевич Юрьевич Николаевич Александрович Николаевич Алексеевич Исаакович Николаевич	26.11.2018	-	Международная заявка на изобретение, поданная в соответствии с Договором о патентной кооперации (PCT) от 19 июня 1970 года рег.№PCT/RU2019/000895 от 04.12.2019
3.	изобретение (ИП)	Способ оценки энергии активации ионов кислорода в филаменте мемристора	Якимов Горшков Филатов Антонов Антонов Клюев Спаньоло	Аркадий Олег Дмитрий Дмитрий Иван Алексей Бернардо	Викторович Николаевич Олегович Александрович Николаевич Викторович -	08.11.2019	РФ 20 лет	Заявка на выдачу патента на изобретение. Уведомление о приеме и регистрации заявки рег. №2019136089
4.	изобретение (ИП)	Устройство для переключения мемристора	Сафонов Агудов Дубков Горшков Белов Морозов Шамшин Спаньоло	Алексей Николай Александр Олег Алексей Олег Максим Бернардо	Владимирович Викторович Александрович Николаевич Иванович Александрович Олегович -	10.12.2019	РФ 20 лет	Заявка на выдачу патента на изобретение. Уведомление о приеме и регистрации заявки рег. №№2019140967
5.	изобретение (ИП)	Способ управления работой мемристора и устройство для его осуществления	Сафонов Агудов Дубков Горшков Белов Морозов Шамшин Спаньоло	Алексей Николай Александр Олег Алексей Олег Максим Бернардо	Владимирович Викторович Александрович Николаевич Иванович Александрович Олегович -	10.12.2019	РФ 20 лет	Заявка на выдачу патента на изобретение. Уведомление о приеме и регистрации заявки рег. №2019140968

10. Проведена закупка стройматериалов для осуществления текущего ремонта помещения лаборатории (ком. 518 корп. 4). Закуплена мебель и оргтехника для оснащения лаборатории.

11. Проведено обучение 11 членов научного коллектива.

12. Разработана топология и технологический маршрут производства чипа с массивом мемристивных устройств.

13. Принято участие в 5 международных конференциях, научных семинарах, симпозиумах по тематике работы лаборатории (за счет дополнительных средств).

Таблица 13.1 – Перечень конференций, научных семинаров, симпозиумов, в которых принимали участие ведущий ученый и члены научного коллектива за счет дополнительных средств в 2019 году

№ п/п	Наименование мероприятия	Место проведения мероприятия		Организатор мероприятия	Название докладов, сделанных ведущим ученым и (или) членами начного коллектива лаборатории
		страна	город
1.	International Conference on Memristive Materials, Devices & Systems (MEMRISYS)	ГЕРМАНИЯ	Дрезден	Дрезденский технический университет	From device engineering and adaptive programming to stochastic multistable models of metal-oxide memristors
					From perceptrons to spiking neuromorphic networks based on self-adaptive memristive synapses
2.	Международный форум "Микроэлектроника 2019"	РОССИЯ	Алушта	АО «НИИМА «ПРОГРЕСС», АО "НИИМЭ", Keyasic, МИЭТ, ПроКонф	Мемристивные материалы, устройства и системы - на пути к нейроморфным и нейрогибридным системам
3.	XXIII Международный Симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника»	РОССИЯ	Нижний Новгород	Отделение физических наук РАН, Научный совет РАН по физике полупроводников, Научный совет РАН по физике конденсированных сред, ИФМ РАН, ННГУ	Повышение воспроизводимости резистивного переключения в многослойных мемристивных наноструктурах на основе стабилизированного иттрием оксида циркония
4	Международная конференция «Нейронные сети послезавтра: проблемы и перспективы»	РОССИЯ	Нижний Новгород	ННГУ	Мозгоподобные нейронные сети и нейроин-терфейсы на основе мемристивных систем
5	XXIII научная конференция по радиофизике, посвященной 100-летию со дня рождения Н.А. Железцова	Россия	Нижний Новгород	ННГУ	Steady state distribution and relaxation time in a stochastic model of memristor
					Определение энергий активации диффузии ионов кислорода в мемристивных системах методом фликкер–шумовой спектроскопии
					Probabilistic analysis of ideal memristor models under gaussian noise
					ZrO2(Y)/Ta2O5-based memristor response to white Gaussian noise
					Индуцированное шумом резистивное переключение наконтакте АСМ-зонда к пленке стабилизированного диоксида циркония на проводящей подложке
					Молекулярно-динамическое моделирование влияния стехиометрии на структуру филамента в мемристорах на основе диоксида кремния
					Резистивное переключение мемристора на базетонкоплёночной структуры ZrO2(Y)/Ta2O5 шумовым сигналом
					Временные характеристики резистивного переключения мемристора на основе ZrO2(Y)/Ta2O5 под действием шумового сигнала
					Steady state distribution and relaxation time in a stochastic model of memristor
					Определение энергий активации диффузии ионов кислорода в мемристивных системах методом фликкер–шумовой спектроскопии

14. Организовано и проведено 2 мероприятия по теме "Стохастические мультистабильные системы" (за счет дополнительных средств):

- Регулярный научно-образовательный семинар на базе лаборатории стохастических мультистабильных систем ННГУ.
- Подсекция «Стохастические мультистабильные системы» в рамках ХХIII научной конференции по радиофизике, посвященной 100-летию со дня рождения Н.А. Железцова.

Работы выполнены успешно в соответствии с планом работ научного исследования.