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- 절연체와 도체 사이의 전환에서 이전 자극을 "기억"하고 그에 따라 변화율을 조정
- "기억"이 입증된 최초의 재료
- 현재의 금속 산화물 반도체 전자 장치를 훨씬 능가할 수 있다
- 새로운 고성능 데이터 저장 장치로 사용, 인공 신경망에서의 사용도 생각할 수 있다.

소재가 새로운 '기억'을 드러낸다.
산화바나듐은 이전 경험에 독특한 방식으로 반응한다.

놀라운 기억 효과:
물리학자들이 바나듐 산화물에서 한 번도 관찰된 적이 없는 학습 효과를 발견했다.
재료는 절연체와 도체 사이의 전환에서 이전 자극을 "기억"하고 그에 따라 변화율을 조정한다. 물리학자들이 "Nature Electronics"에서 보고한 바와 같이 기존 반도체와 달리 전자 여기가 관련되지 않고 유리와 같은 구성 변경이 포함된다. 그러한 "기억"이 입증된 최초의 재료다. 이것은 새로운 유형의 데이터 저장 및 신경망을 가능하게 할 수 있다. 

▲ 고체 바나듐 이산화물은 과거 자극으로부터 학습하고 그에 따라 반응 시간을 조정한다. © POWERlab / 2022 EPFL

전도도를 일반적인 조건에 적응시키는 많은 재료가 있다. 반도체의 경우 빛이나 전기의 영향으로 발생하는 반면 초전도체의 경우 냉각이 거의 저항이 없는 전도로의 전환을 보장한다. 그 이유는 대부분 이러한 물질에서 전자의 여기 상태가 변경되기 때문이다. 그러나 결정 구조의 변화가 절연체에서 도체로의 전환을 유발하는 고체도 있다. 예를 들어 다이아몬드의 경우 굽힘으로 인해 발생할 수 있다. 이러한 모든 전환의 일반적인 점은 정의된 임계값에서 발생하고 전환 속도(반응 시간)가 고정되거나 현재 조건에 따라 달라진다는 것이다.

조정된 응답 시간

그러나 Lausanne Polytechnic의 Mohammad Samizadeh Nikoo와 그의 동료들이 이제 발견한 것처럼 이러한 현상과 명백히 다른 한 가지 재료가 있다. 연구를 위해 그들은 실제로 이산화바나듐(VO2)이 다양한 전기 자극에 어떻게 반응하는지 측정하기를 원했다. 전류는 물질을 통해 이동하여 약 68도의 임계값까지 가열하며 이 지점에서 이산화바나듐은 절연체에서 전도체로 바뀐다. 전류 펄스가 종료되고 재료가 냉각되는 즉시 원래 상태로 돌아간다.

놀라운 점은 예상과 달리 동일한 전류 펄스에서도 물질이 항상 동일한 속도로 반응하지 않는다는 것이다. 첫 번째 변화는 여전히 상대적으로 느렸으며, 첫 번째 테스트에서 배양 시간은 1.4마이크로초 지속됐다. 그러나 다음 전환에서는 10분의 1로 줄어들었다. 첫 번째 펄스와 두 번째 펄스 사이의 거리는 배양 시간이 얼마나 단축되는지를 결정한다.

"과거 전환의 역사는 다가오는 전환에 대한 에너지 장벽의 높이를 결정한다"라고 연구자들은 설명했다. "전환 이벤트의 빈도와 수가 높을수록 장벽이 낮아진다.“

메모리 효과는 비전자적으로도 트리거될 수 있다.

다시 말해 이산화바나듐은 첫 번째 상전이를 기억하고 다음 상전이를 예상하는 것으로 보인다고 Nikoo의 동료 Elison Matioli는 말했다. "우리는 그러한 기억 효과를 기대하지 않았다." 측정에서 물질은 최대 3시간의 초기 자극에 대한 "학습된" 반응 시간을 유지했다. "그러나 기억 효과는 며칠 동안 지속될 수 있다. 우리는 아직 그것을 오랫동안 측정하는 데 필요한 도구가 없다"라고 Matioli는 말했다.

또한 놀라운 사실은 산화 바나듐의 "기억"은 물질이 온도 변화에 도달하는 형태와 무관하다는 것이다. 전류 흐름이 없는 순수한 열 펄스도 물질의 학습 효과를 촉발했다. "이것은 열에 의해 구동되는 전이 동안 물질에 전류가 흐르지 않기 때문에 전자 또는 이온의 전류가 이 메모리 효과에서 역할을 하지 않는다는 것을 증명한다"라고 연구원들은 보고했다. "분명히 전기적 여기를 기반으로 하지 않는 일반적인 효과다.“

유리 구성 변경

"이것은 완전히 새로운 현상이며 다른 어떤 물질도 이러한 방식으로 작동하지 않다"라고 Matioli는 말했다. 그러나 이 "컨디셔닝"은 이산화바나듐으로 어떻게 발생할까? 추가 실험은 레이저 광으로 원자를 들뜨게 하거나 연결된 전극의 금속을 변경하는 것이 메모리 효과에 영향을 미치지 않는다는 것을 보여주었다. 물리학자는 "분명히 전자 상태와 관련이 없고 오히려 물질의 구조와 관련이 있다"라고 설명했다.

바나듐 이산화물이 스위칭 속도를 "시계 자극"에 적응시키는 능력은 내부 구성의 변화에 ​​의해 가능하다는 것을 연구원들은 발견했다. "이렇게 느리고 유리 같은 구성 변화는 재료의 결합 길이, 결함 또는 수명이 긴 금속 영역에 의해 유발된다"라고 그들은 설명한다. 이것은 예를 들어 디지털 데이터 저장 장치에서 반응이 전자 상태에 따라 달라지는 기존 반도체와 이산화 바나듐을 구별한다.

새로운 데이터 저장 및 신경망

Nikoo와 그의 동료들에 따르면, 바나듐 이산화물과 아마도 다른 물질의 기억 효과는 혁신적인 전자공학을 위한 새로운 기회를 열어준다. "이러한 유리와 같은 기능성 물질은 속도, 에너지 요구 사항 및 소형화 측면에서 현재의 금속 산화물 반도체 전자 장치를 훨씬 능가할 수 있다"라고 그들은 말한다. 바나듐 산화물은 일단 "학습"되면 나노초 미만으로 전환되고 전환하는 데 에너지가 거의 필요하지 않기 때문이다.

메모리 효과가 있는 이러한 재료는 예를 들어 비트가 여러 레벨에 저장되는 새로운 고성능 데이터 저장 장치로 사용될 수 있다. 인공 신경망에서의 사용도 생각할 수 있다. 바나듐 이산화물 스위치가 노드 사이에 배치되면 이 하드웨어는 스스로 학습한다. 저항기 또는 이와 유사한 것을 조작하여 별도로 분리한다"라고 팀은 말했다. 산화바나듐의 메모리 효과는 이러한 작업을 대신하여 신경망을 더 빠르고 효율적으로 만든다.
(Nature Electronics, 2022; doi: 10.1038/s41928-022-00812-z)
출처: Ecole Polytechnique Federale de Lausanne(EPFL)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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