Výzkumný tým vedený vědci z Pennsylvania State University spojil syntetickou DNA s kvazidvourozměrným perovskitem a zhotovil paměťový prvek pracující při velmi nízkém napětí. Podle studie zveřejněné v časopise Advanced Functional Materials jde o takzvaný memristor, tedy elektronickou součástku, jejíž elektrický odpor se mění podle dřívějšího průchodu proudu a tento stav dokáže uchovat i po vypnutí napájení. Takové prvky jsou zkoumány jako možný základ energeticky úsporných nevolatilních pamětí a hardwaru pro neuromorfní výpočty.
Autoři použili krátký uměle připravený řetězec DNA o 22 stavebních jednotkách. Do něj vložili nanočástice stříbra a tuto vrstvu spojili s tenkým filmem halogenidového perovskitu se složením (PEA)2(MA)Pb2I7. Perovskity jsou krystalické polovodičové materiály známé především z vývoje solárních článků a optoelektroniky. Výsledné zařízení mělo uspořádání vrstev mezi stříbrnou horní a platinovou spodní elektrodou. Vznikl tak hybridní prvek, v němž DNA neslouží k archivaci genetické informace, ale jako přesně uspořádaná součást elektronického rozhraní.
Stříbrné nanočástice měly změnit elektrické vlastnosti syntetické DNA a pomoci vytvořit uspořádané cesty pro pohyb náboje. V memristoru se při přepínání mezi stavy s nízkým a vysokým odporem vytvářejí a zanikají vodivé cesty v materiálu. Autoři porovnávali hybridní součástku se samotným perovskitem i s variantou, která obsahovala DNA bez nanočástic stříbra. Právě kombinace perovskitu a stříbrem upravené DNA vykázala v jejich měřeních nejnižší spínací napětí a stabilnější elektrickou odezvu.
Nízké napětí, omezená délka testu
Hybridní memristor přepínal mezi stavy při napětí nižším než 0,1 V, aniž předtím potřeboval takzvaný formovací krok. Ten u řady odporových pamětí spočívá v úvodním působení vyššího napětí, které vytvoří podmínky pro následné spínání. Poměr elektrických proudů ve stavech zapnuto a vypnuto přesáhl 105. Autoři také uvedli, že zařízení zvládlo nejméně 103 spínacích cyklů a obě odporové úrovně si při laboratorním testu udrželo déle než 4 × 103 s, tedy zhruba 1,1 hodiny.
Při proudovém omezení 1 mA studie uvádí hustotu příkonu 100 W/m2. Při nižším omezení proudu 100 µA pracoval prvek při napětí 0,17 V, se spínacím příkonem 17 µW a hustotou příkonu 17 W/m2. Podle srovnání autorů představovala druhá z těchto hodnot méně než setinu hustoty příkonu uváděné pro vybrané oxidové memristory a méně než desetinu hodnoty srovnatelných perovskitových součástek. Tvrzení o stonásobně nižší spotřebě se proto vztahuje ke konkrétnímu porovnání s oxidovými zařízeními, nikoli obecně ke všem dnes používaným pamětem.
Zařízení si zachovalo funkčnost při teplotě 393 K, což odpovídá přibližně 120 °C, a v laboratorních podmínkách fungovalo déle než šest týdnů. Autoři přisuzují zlepšení kombinaci molekulárně uspořádané vrstvy DNA a perovskitu: rozhraní má usnadňovat přenos náboje, omezovat rozdíly mezi jednotlivými spínacími cykly a snižovat potřebné napětí. Práce navíc ukázala, že změnou proudového omezení lze regulovat vodivé cesty a vytvářet více odporových stavů, což je vlastnost důležitá pro ukládání více úrovní informace v jediném prvku.
Od laboratorního prvku k výpočetnímu hardwaru
Výsledek nepředstavuje hotovou paměť pro počítače ani demonstraci systému umělé inteligence. Studie hodnotila jednotlivé laboratorně vyrobené prvky a jejich elektrické vlastnosti; retence byla sledována řádově hodiny a odolnost po tisíci cyklech, zatímco praktické paměti vyžadují podstatně delší uchování dat, vysokou životnost, výrobu ve velkých polích a slučitelnost s běžnými výrobními postupy. Autoři nicméně považují hybridní DNA-perovskitové memristory za možný materiálový směr pro energeticky úsporné nevolatilní paměti. Jejich další práce má směřovat ke zdokonalení této architektury a k ověření dalších bioinspirovaných elektronických použití.
Zdroj: ScienceDaily
Tento článek byl vytvořen s pomocí umělé inteligence a redakčně zkontrolován.