Mémoires électriques à haute température pour l’informatique inspirée du cerveau

La recherche scientifique ne cesse de repousser les limites de la technologie, et dans le domaine des matériaux bidimensionnels, une équipe de chercheurs de KAUST vient de franchir une étape significative. Découvrons ensemble comment les cristaux de van der Waals pourraient transformer l’avenir des dispositifs de mémoire.

Les cristaux de van der Waals sont constitués de couches atomiques faiblement liées qui peuvent être séparées ou exfoliées pour créer des matériaux bidimensionnels. Ces derniers sont au cœur des travaux de chercheurs de l’Université des Sciences et Technologies du Roi Abdallah (KAUST), qui ont démontré leur utilité dans la conception de dispositifs de mémoire performants, économes en énergie et à haute capacité, connus sous le nom de memristors.

Memristors : une résistance qui se souvient

La propriété caractéristique d’un memristor est que sa résistance électrique dépend de la quantité de courant qui le traverse et, surtout, que cette résistance persiste même après l’arrêt du courant. Ainsi, les memristors se «souviennent» du courant qui les a précédemment traversés, d’où leur nom, qui est un mot-valise combinant mémoire et résistance.

Cette caractéristique est similaire au fonctionnement des neurones et des synapses du cerveau, ce qui fait des memristors une composante prometteuse pour les ordinateurs dits neuromorphiques.

Une collaboration internationale pour un memristor innovant

Yinchang Ma, doctorant, et d’autres membres du groupe de Xixiang Zhang de KAUST, en collaboration avec des collègues de l’Université de Melbourne, de l’Université de Zhejiang et de l’Université du Sichuan en Chine, ainsi que de l’Université du Maryland à College Park aux États-Unis, ont créé un memristor performant et robuste à partir d’un métal thiophosphate, le CuCrP2S6.

Les autres matériaux de cette famille, notamment le CuInP2S6, ont déjà été étudiés pour des applications de memristor car ils sont ferroélectriques, c’est-à-dire que leur structure atomique peut être polarisée électriquement de manière permanente en appliquant un champ électrique. Toutefois, le CuInP2S6 perd cette propriété ferroélectrique à des températures supérieures à 42°C, ce qui affecte la performance des matériaux, les rendant instables.

Une approche novatrice : l’antiferroélectricité

Yinchang Ma et son équipe ont abordé le problème d’une manière très différente. « Notre approche de la technologie des memristors exploite les propriétés uniques non pas des matériaux ferroélectriques, mais des matériaux antiferroélectriques — une direction dans la recherche sur les memristors qui a été négligée jusqu’à présent », explique Ma. L’équipe a démontré que l’antiferroélectrique CuCrP2S6 pouvait devenir ferroélectrique en appliquant un champ électrique.

Avec cette découverte, les chercheurs ont créé un dispositif démontrant un comportement de memristor, y compris l’apprentissage synaptique biologique, des capacités de commutation résistive impressionnantes avec un rapport ON/OFF élevé, une grande durabilité et une stabilité thermique. Leur dispositif a fonctionné sur jusqu’à 20 000 cycles ON/OFF et à des températures allant jusqu’à 120 degrés Celsius.

Explorer le potentiel caché des matériaux

« Notre recherche souligne l’importance de sortir des choix de matériaux conventionnels et d’explorer des mécanismes novateurs pour révéler des potentiels cachés dans les matériaux », déclare Yinchang Ma. « Nous visons à approfondir notre compréhension de la transition ferroélectrique. Potentiellement, nous pourrions même découvrir d’autres matériaux à explorer pour leurs implications dans la fonctionnalité des memristors. »

Légende illustration : Des chercheurs ont mis au point des dispositifs memristor très performants en utilisant un matériau qui imite le comportement des neurones et des synapses dans le cerveau.© 2024 KAUST ; Heno Hwang.

Ma, Y., Yan, Y., Luo, L., Pazos, S., Zhang, C., Lv, X., Chen, M., Liu, C., Wang, Y., Chen, A., Li, Y., Zheng, D., Lin, R., Algaidi, H., Sun, M., Liu , J.Z., Tu, S., Alshareef, H.N., Gong, C., Lanza, M., Xue, F. & Zhang, X. High-performance van der Waals antiferroelectric CuCrP2S6-based memristors. Nature Communications 14, 7891 (2023).| article