Descrizione del modulo "Materiali e dispositivi nanoscalati per applicazioni in memorie non-volatili, architetture neuromorfiche e neuroelettronica (MD.P05.024.001)"

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  • Descrizione del modulo "Materiali e dispositivi nanoscalati per applicazioni in memorie non-volatili, architetture neuromorfiche e neuroelettronica (MD.P05.024.001)" (literal)
Potenziale impiego per bisogni individuali e collettivi
  • Lo sviluppo di dispositivi di memoria ad alta densità e a basso consumo energetico, riveste un alto interesse sia per l'individuo singolo che per la comunità. Infatti, nell'ultimo decennio, i dispositivi di memoria non volatile ad alta densità hanno visto una crescente diffusione e richiesta dal mercato, anche legata alla rapida diffusione di sistemi portabili quali computer, tablet, fotocamere digitali, dischi a stato solido, lettori MP3, telefonia. Tali sistemi di memoria inoltre possono trovare applicazione anche in sistemi diversi dall'elettronica di consumo quali automotive, e biomedicali. Lo sviluppo di dispositivi elettronici con funzionalità sinaptica potranno portare a sistemi di computazione avanzata di tipo non-booleana con ricadute sulla società in diversi ambiti quali ad esempio nuovi sensori di immagine e dispositivi di riconoscimento vocale, e a più lungo termine ad applicazioni nel campo biomedicale. Lo sviluppo di dispositivi con funzionalità di stimolazione e rilevazione di segnali neuronali, e dispositivi con funzionalità sinaptica potrà portare nel futuro ad applicazioni medicali e impiego anche in protesi cerebrali (literal)
Tematiche di ricerca
  • Le tematiche di ricerca della commessa si indirizzano allo sviluppo di materiali e concetti innovativi per dispositivi di memoria di futura generazione, nanoscalati (e a nanofilo) ed eventualmente integrabili in strutture 3D e a matrice, memristori con funzionalità sinaptica per architetture neuromorfiche e dispositivi per applicazioni in neuroelettronica. Nel dettaglio: (a) Sviluppo di tecnologie di memorie non basate sull'immagazzinamento di carica, ma su un cambiamento resistivo in volumi confinati: i) Sviluppo di film sottili e nanofili core-shell di calcogenuri per dispositivi di memoria non volatile a cambiamento di fase (PCM) e a multilivello, (ii) Sviluppo di eterostrutture metallo/ossido/metallo (MOM) a film sottile e a nanofilo per applicazioni in memorie a commutazione resistiva (ReRAM). Utilizzo di tecniche di litografia a copolimeri a blocchi per la realizzazione di dispositivi ultrascalati(20 nm e inferiori) (b) Sviluppo di memristori basati sulla commutazione resistiva in ossidi di metalli di transizione per applicazioni in architetture neuromorfiche e neuroelettronica (c) sviluppo di materiali e dispositivi per la stimolazione e la registrazione di segnali neurali (literal)
Competenze
  • I partecipanti alla commessa hanno competenze complementari e interdisciplinari su materiali e dispositivi relativamente alle tematiche di ricerca proposte. In particolare le competenze comprendono: (i) crescita di ossidi e materiali calcogenuri in film sottili mediante tecniche di deposizione chimica e fisica; (ii) fabbricazione di materiali nanostrutturati, anche mediante utilizzo di tecniche di litografia elettronica e a copolimeri a blocchi; (iii) caratterizzazione strutturale, chimica ed elettrica di film sottili e di nanostrutture, anche mediante l'utilizzo di tecniche ad alta risoluzione spaziale quali microscopie a scansione di sonda; (iv) processi di fabbricazione di dispositivi di memoria di test, inclusi trattamenti termici, processi di patterning, metallizzazioni, litografia ottica; (v) caratterizzazione elettrica di dispositivi sia in regime DC che impulsato Le competenze dei ricercatori partecipanti alla commessa in tali ambiti disciplinari sono di livello internazionale. Tali competenze sono state acquisite anche nell'ambito di vari progetti nazionali ed Europei su argomenti legati alle tematiche della commessa, e mediante una continua interazione con industrie. (literal)
Potenziale impiego per processi produttivi
  • Le attività svolte nella commessa porteranno allo sviluppo di conoscenze in vari ambiti, quali la sintesi e caratterizzazione di materiali innovativi, dispositivi e tecnologie di nanofabbricazione. Le competenze sviluppate hanno un potenziale impiego in diversi processi produttivi legati a dispositivi elettronici e non solo. Nuovi concetti di memorie non volatili nanoscalate e ad alta densità potranno essere impiegati per la nuova generazione di archiviazione massiva per sistemi portatili ed aprirsi ad applicazioni su substrati flessibili o nell'elettronica resistente alle radiazioni. Lo sviluppo di dispositivi a commutazione resistiva con funzionalità sinaptiche potrà trovare impiego in architetture neuromorfiche sia per una computazione di tipo non-booleano sia per applicazioni in neuroelettronica. Dispositivi elettronici per la rivelazione/stimolazione di segnali neuronali hanno una forte ricaduta nel campo biomedicale. I risultati ottenuti in termini di fabbricazione di nano-oggetti attraverso metodi industrialmente compatibili potranno infine essere usati per applicazioni differenti dall'elettronica, come sensori, celle solari, applicazioni bio e medicali. (literal)
Obiettivi
  • Studio di memorie a commutazione resistiva nanoscalate basate su effetti termici, elettrochimici e ionici in eterostrutture metallo/isolante/metallo, sia a film sottile che a nanofilo. Fabbricazione di eterostrutture a nanofilo in template di allumina nanoporosa, e nanogiunzioni mediante tecniche di litografia elettronica; e/o template di polimeri a blocchi. Studio di memorie a cambiamento di fase basate su commutazione resistiva e reversibile in materiali calcogenuri. Sintesi MOCVD e caratterizzazione ottica ed elettrica di materiali e strutture di test basate su: (a) composti del sistema Ge-Sb-Te e In-Ge-Sb-Te; (b)nanofili di calcogenuri, anche core-shell, ottenuti anche mediante l'uso substrati a template e con catalizzatori metallici Sviluppo di memristori metallo-ossido-metallo con funzionalità sinaptica per impiego in architetture neuromorfiche Caratterizzazione dei memristori per la caratterizzazione delle proprietà di commutazione resistiva analogica, potenziamento e depressione sinaptica a lungo e breve termine, plasticità dipendente dalla temporizzazione degli impulsi(STDP) Sviluppo di materiali e dispositivi per la stimolazione e la registrazione di segnali neuronali (literal)
Stato dell'arte
  • L'attuale tecnologia dominante nell'ambito dei dispostivi di memoria non volatile, la memoria FLASH, è ormai giunta vicina al limite ultimo di scalabilità. A livello mondiale, vi è quindi un'ampia attività di ricerca verso concetti innovativi per memorie nanoscalate, indirizzando la fabbricazione di dispositivi 1D (a nanofilo) e architetture a matrice, per ottenere dispositivi ad alta densità e basso consumo energetico, eventualmente integrabili in 3D. In questo ambito le attività della commessa si indirizzano verso tecnologie basate sull'impiego del cambiamento resistivo in volumi nanoscalati, legato al cambiamento di fase in materiali calcogenuri (PCM) o ad effetti termici/elettrochimici in materiali isolanti (ReRAM). Inoltre la commutazione resistiva in ossidi di metalli di transizione ha recentemente attratto l'attenzione per la realizzazione di dispositivi con funzionalità sinaptica per impiego in architetture neuromorfiche per computazione avanzata non-booleana, e a più lungo termine per applicazioni in neuroelettronica per la fabbricazione di dispositivi in grado di interagire con le funzioni celebrali. (literal)
Tecniche di indagine
  • Si prevede l'utilizzo della luce di sincrotrone presso centri quali ESRF, per studiare problematiche particolari legate a film sottili di ossidi e/o di calcogenuri ((i.e. EXAFS, HRXRD, GIXRD, XRR). (literal)
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