ID-ul Proiectului: PN-III-P1-1.1-TE-2016-1997

Director de Proiect: Dr. Alin Velea

Tipul proiectului: National

Programul de incadrare al proiectului: Tinere Echipe (TE)

Finantare: Unitatea Executivă pentru Finanțarea Învățământului Superior, a Cercetării, Dezvoltării și Inovării (UEFISCDI)

Contractor: Institutul National de Cercetare - Dezvoltare pentru Fizica Materialelor RA

Status: In progress

Data de inceput: Wednesday, 2 May, 2018

Data finalizarii: Thursday, 30 April, 2020

Rezumatul Proiectului:

AMOS își propune să construiască o hartă pentru descoperirea de noi materiale calcogenice cu comutare cu prag ovonică (OTS), care să permită crearea de dispozitive de memorare cu densitate mare. OTS este o caracteristică electrică volatilă a unui material calcogenic, care poate comuta rapid de la o stare izolatoare la una conductoare, prin aplicarea unei tensiuni care depășește tensiunea de prag. Va fi construită o bază de date cu proprietățile materialelor, folosind o combinație de date calculate și măsurate. Proprietățile atomice, cum ar fi electronegativitatea, razele orbitale și entalpiile de legătură, vor fi folosite pentru a calcula hibridizarea, ionicitatea și temperatura tranziției sticloase, în timp ce noi date măsurate vor fi obținute prin depunerea combinatorială şi caracterizarea fizică a straturilor subțiri pentru a evalua temperatura de cristalizare și banda interzisă. Acestă bază de date va fi vizualizată sub forma unei hărți. Metode statistice vor fi folosite pentru identificarea sistematică a unor noi materiale cu proprietăți specifice. Materiale selectate din clasa prezisă de materiale cu OTS, aparținând sistemelor binare și ternare, vor fi folosite pentru a construi dispozitive de testare prin fotolitografie. Din evaluarea comportamentului curent-tensiune, efectul OTS va fi verificat experimental. Modele ale conducției sub pragul de tranziție, vor fi aplicate pentru a extrage adâncimea și densitatea defectelor din banda interzisă. Efectul combinat al acestor două proprietăți ar putea fi cheia pentru proiectarea de materiale cu caracteristici electrice pentru aplicații specifice. Căutarea rațională, informată de noi materiale, are potențialul de a reduce costurile, riscurile și timpul implicate în metodele actuale. Explorarea sistematică a spațiului materialelor poate accelera semnificativ descoperirea de noi materiale calcogenice și contribuie la rezolvarea nevoilor actuale de stocare a informaţiei.

 

Obiectivele proiectului:

Obiectivul AMOS este dezvoltarea unei hărți pentru descoperirea de noi materiale calcogenice care să prezinte efectul de comutare ovonică cu prag (OTS). Având în vedere numărul extrem de mare de compoziții și configurații posibile în spațiul combinatorial al materialelor, un impediment fundamental pentru un proces eficient de descoperire a materialelor este lipsa unor metode adecvate pentru a prezice rapid și precis proprietățile unui număr mare de materiale noi. Până în prezent, strategia clasică de încercare-și-eroare ghidată de intuiție a dominat ca metodă de identificare a materialelor potrivite pentru o aplicație specifică.

Factorul inovator cheie al AMOS este utilizarea unei abordări bazate pe date pentru descoperirea și proiectarea materialelor, aplicată la clasa materialelor calcogenice pe bază de Te. O combinație inovatoare de proprietăți ale materialelor este utilizată pentru identificarea materialelor pentru memorii nevolatile. Baza de date a proprietăților calcogenilor, construită din date computaţionale și măsurate experimental, va constitui un set de date original și extrem de valoros.

Vizualizarea și explorarea spațiului materialelor calcogenice este extrem de utilă pentru predicția și identificarea unor structuri care altfel nu pot fi observate, chiar și de către experții care au lucrat în domeniu mulți ani. O hartă originală și unică a calcogenilor va contribui la avansarea domeniului. Aceasta va permite cercetătorilor să ia decizii informate cu privire la screening-ul rapid și optimizarea materialelor pentru aplicații.

Echipa proiectului este formată din următorii cercetători:

  1. Dr. Alin Velea - director de proiect
  2. Dr. Claudia Mihai - cercetător postdoctoral
  3. Dr. Aurelian-Cătălin Gâlcă - tânăr cercetător
  4. Dr. Cristina Besleaga Stan - cercetător postdoctoral
  5. Cristina Mozaceanu - student masterand

Etapa 1: Elaborarea și validarea hărții

Termen: 31.12.2018

 

Această primă etapă a proiectului a urmărit elaborarea și validarea unei hărți a materialelor calcogenice cu comutare cu prag. Pentru atingerea acestui obiectiv au fost realizate mai multe activități.

A fost construită o bază de date folosind o combinație de date experimentale și date calculate prin DFT. Setul de date calculate provine de la Open Quantum Materials Database şi conține predicțiile DFT ale energiei de formare, benzii interzise și volumului pentru aproximativ 3,326 compozitii. Setul de date experimentale a fost dezvoltat din date agregate din literatura de specialitate. Este o compilație de aproximativ 478 de înregistrări din multiple referințe experimentale. A fost construit un vector de caracteristici calculat pe baza compoziției materialului care conține un număr de 147 atribute. Acest vector identifică în mod unic un material în baza de date și este asociat cu fizica și chimia care influențează proprietățile de interes. Aceste atribute sunt proiectate astfel încât să permită algoritmilor de învățare automată să construiască reguli generale cu care să poată prezice noi materiale. A fost implementată Harta1.0 a întregului set de date (3,849 materiale) în spațiul descriptorilor duali, ionicitate şi covalenţă.

Pentru a prezice noi materiale cu OTS, folosind Harta1.0 elaborată anterior, am folosit algoritmi de grupare. Aceşti algoritmi se referă la un set de tehnici din învăţarea nesupervizată, şi sunt folosiţi pentru a detecta subgrupuri sau grupuri, într-un set de date. Algoritmul de grupare K-means şi gruparea ierarhică au fost aplicaţi setului de date. Rezultatele aplicării consecutive a algoritmului K-means, au arătat partiţionarea datelor în patru grupuri cu un subgrup de posibile noi  materiale cu OTS pe bază de Te în număr de 154.

S-a început construirea unui set de date pentru domeniul de formare a sticlelor calcogenice. Ne aşteptăm ca materialele OTS să fie localizate în zona centrală deoarece sunt cunoscute ca materiale cu o bună abilitate de formare a sticlei. Acest atribut al abilităţii de formare a sticlei va fi adăugat setului de date folosit pentru predicţia de materiale OTS.

Algoritmii de grupare utilizaţi au prezis că sistemele binare Ge-Te și Si-Te au o probabilitate mare de a conține compoziții de materiale cu OTS. Din aceste două sisteme am preparat experimental următoarele compoziții: SiTe, SiTe2, SiTe3, SiTe4, SiTe6, GeTe4 și GeTe6, care se găsesc în domeniile de formare a sticlei ale acestor sisteme.

Pentru a studia proprietăţile electrice ale materialelor am fabricat dispozitive de tip ”cross-point” cu două terminale. Măsurătorile experimentale confirmă prezența efectului de comutare ovonică cu prag în toate compozițiile testate confirmând astfel puterea de predicție a hărții. Dintre acestea cel mai bun material pentru a fi folosit în dispozitive de tip selector este GeTe6 datorită neliniarității de trei ordine de mărime, a tensiunii și curentului de prag scăzute.

În concluzie, obiectivele acestei etape de cercetare au fost realizate integral.

Rezultatele obținute până în acest moment în cadrul proiectului au permis participarea la două conferințe internaționale prin două prezentări orale și o prezentare de tip poster. Aceasta din urmă a câștigat premiul “Ioan Ursu” pentru contribuția originală a unui tânăr cercetător.

 

  1. Prezentarea orală cu titlul: “Study of phase change in stacked chalcogenide films”, autori: A. Velea, F. Sava, C. Borca, G. Socol, A. C. Galca, C. Mihai, D. Grolimund, la conferința internațională “12th International Conference on Physics of Advanced Materials (ICPAM-12)”, care a avut loc în perioada 22-28 septembrie 2018 în Heraklion, Grecia.
  2. Prezentarea orală a lucrării cu titlul: “Physical properties of optimized amorphous Ge-Te alloy thin films for memory applications“, autori: A.C. Galca, C. Besleaga, V. Dumitru, C. Bucur, F. Sava și Alin Velea, la “18th International Balkan Workshop on Applied Physics (IBWAP 18)”, ce a avut loc în perioada 9-14 iulie 2018 la Constanța, în România.
  3. Posterul cu titlul “Cellular automata model of phase change in stacked chalcogenide films”, autori: C. Mihai, A. Velea,  în cadrul conferinței internaționale “12th International Conference on Physics of Advanced Materials (ICPAM-12)”, care a avut loc în perioada 22-28 septembrie 2018 la Heraklion în Grecia.

 

Au fost redactate și trimise spre publicare două articole:

 

  1. Structural and electrical characterization of metal diffusion in chalcogenide thin films
    Autori: Sava, I. D. Simandan, V. Dumitru, A. C. Galca, I. Stavarache, C. Mihai, A. Velea
    Trimisă spre publicare la revista Chalcogenide Letters.
  1. Multilevel memristive GeTe devices
    Autori: Dumitru, C. Besleaga, A. C. Galca, A. Velea
    Trimisă spre publicare la revista Journal of Ovonic Research.

Persoana de contact:

Dr. Alin Velea

alin.velea@infim.ro