- Memrisztorok
Az elmúlt években a nanofizikai kutatások dinamikusan fejlődő területe a rezisztív kapcsoláson alapuló analóg memóriaműködés tanulmányozása olyan új rendszerekben, amelyekben az aktív eszközméret az atomi méretskálák tartományába esik,ezáltal túlmutat a jelenlegi, 10 nm-es kapuhosszakat közelítő CMOS technológia további méretcsökkentésének fizikai korlátain. Kutatócsoportunk célkitűzése a memóriaműködés létrehozása atomi méretű fémes nano-vezetékekben, grafén nano-résekben, valamint fémes elektródákkal kontaktált szilárd elektrolit vékonyrétegekben. Az ilyen nano-eszközök közös sajátossága, hogy működésük során extrém nem-egyensúlyi körülményeknek vannak kitéve. A projekt célja az olyan mögöttes, nem-egyensúlyi jelenségek hatásainak megértése, mint például a nagy áramsűrűség és elektromos tér, az atomi méretű kontaktusok fűtési jelenségei illetve lokális elektrokémiai reakciói.
További jelentős célkitűzés a létrehozott eszközök optimalizálása a kapcsolási sebesség és a megbízható információtárolás szempontjai szerint. Az optimális eszközparaméterek megtalálása érdekében tervezzük a vizsgálataink kiterjesztését új anyagi rendszerekre és olyan, egyszerűsített előállítási eljárásokra, amelyekkel stabil, planáris struktúrák hozhatók létre. Új anyagcsaládok bevonásával szeretnénk eddig nem vizsgált többfunkciós – például elektromos és optikai úton is kapcsolható – memóriaegységeket létrehozni, illetve az elektrokémiai fémesedéstől eltérő működési mechanizmusú, fémoxid alapú memrisztorcsaládokat vizsgálni.
A különböző rendszerek összehasonlító elemzésének fontos részét képezi a rezisztív kapcsolási jelenségek dinamikájának, valamint az egyensúlyi ON és OFF állapotok zaj-jelenségeinek vizsgálata. A memrisztív eszközök közeli hasonlóságot mutatnak az emberi idegrendszer analóg memóriaműködésével, melynek a fenti rendszerekkel történő demonstrálása is céljaink közt szerepel. A kísérleteket saját fejlesztésű, nanoszekundumos pulzusok átvitelére is alkalmas pásztázó alagútmikroszkópokkal végezzük, illetve elektronsugár-litográfiával előkészített planáris struktúrák lokális utókezelésével hozunk létre memrisztív cellákat.
- Molekuláris elektronika
A molekuláris elektronika célja olyan memória-, tranzisztor- és szenzoregységek létrehozása, amelyek működése egyetlen molekula különböző állapotain keresztül valósítható meg. Ezen eszközök a jelenlegi litográfiai eljárások párszor tíz nanométeres felbontásánál több mint egy nagyságrenddel kisebb méretskálát céloznak meg, így az előállításuknál szükségszerűen atomi szintű önszerveződő folyamatokra kell hagyatkozni. Alapvető jelentőségű ezen folyamatok reprodukálhatóságának, vagy akár statisztikai sokszínűségének feltérképezése, melyben kutatócsoportunk jelentős tapasztalattal rendelkezik.
A molekuláris elektronikán belül elsősorban az érzékelési funkciók fejlesztésére koncentrálunk, azaz hogyan lehet egyedi molekulákon végzett vezetőképesség-mérésekkel érzékenyen detektálni a környezetben lezajló változásokat, például más molekulák megjelenését; hogyan követhetjük közvetlen mikroszkópiai mérések nélkül egyetlen molekula konfigurációs átrendeződéseit; vagy akár hogyan kísérhetjük figyelemmel egyedi molekulák in situ kémiai reakcióit. Ezen a területen kutatócsoportunk kísérleti kutatásokat tervez, az eredmények elméleti, számítógépes szimulációkon alapuló értelmezése nemzetközi együttműködés keretében történik.
A molekuláris nanovezetékeket mechanikusan szabályozható törőkontaktus-technika és pásztázó alagútmikroszkóp segítségével hozzuk létre, illetve elektronsugárlitográfiával készített fém vagy grafén nanovezetékeket szakítunk el nagy áramsűrűség segítségével, és az így kialakított nanométeres skálájú rések segítségével kontaktáljuk a molekulákat.
- Önszerveződő rendszerek
Napjainkban a nanotechnológiai kutatások egyre jobban elmozdulnak az egyedi nanoméretű egységek előállítása felől a nanoméretű építőelemek önrendeződésének megértése felé. A nano mérettartományban működő kölcsönhatások kontrolljával új típusú (nano)strukturált anyagokat állíthatunk elő. Az önszerveződő rendszerek vizsgálatának célja, hogy kísérletekben kémiai reakcióhálózatokkal időben dinamikusan és autonóm módon kontrolláljuk a nanorészecskék önrendeződését (time programmed self-assembly). Tervezzük ennek a módszernek a kiterjesztését, hogy nemcsak időben, hanem térben és időben egyaránt kontrollálni lehessen a nanoméretű építőelemek önrendeződését (spatiotemporally programmed self-assembly).
Ezen túlmutatóan a pár száz nm-től mikrométerig terjedő skálán szeretnénk reakció-diffúzió folyamatokkal nanorészecskéket előállítani és struktúrába szervezni. A javasolt technika egy új típusú alulról felfelé (bottom-up) történő építkezési stratégia, ahol a mozgó reakciófrontban nemcsak keletkeznek a nanoméretű egységek, hanem önszerveződésük révén különböző komplexitású nanostruktúrált anyagot alkotnak. A gócképződés és gócnövekedés dinamikáját a rendszer kémiai összetételével befolyásolni lehet, így változó összetételű kolloidális core-shell struktúrák állíthatók elő.
A kémiai önszerveződés új nanoszerkezetű anyagok előállításán túl akár analóg számítások elvégzésére is alkalmazható, mint például labirintusokban a legrövidebb út megtalálása egyszerű és gyors számítással.Ezen a területen a makroszkópikus kémiai implementációk komoly hasonlóságot mutatnak az I. pontban ismertetett memrisztorok analóg számítási potenciáljával. A pályázat keretében számos kémiai és fizikai jelenségen alapuló legrövidebb útkereső algoritmust kívánunk kifejleszteni.
A pályázati ciklus második felében a kémiai önszerveződő szerkezeteket nanoelektronikai áramkörökkel kívánjuk kombinálni. Az előállított nanoszerkezetek különleges elektromos és optikai tulajdonságainak érzékelőként történő alkalmazási lehetőségeit vizsgáljuk.
IV. Komplex mágneses struktúrák
A nanotechnológia új távlatokat nyitott meg a mágneses anyagok tulajdonságainak hangolásában: az atomi vagy ahhoz közeli méretskálán új és meglepő, esetenként hatalmas technológiai jelentőségű kölcsönhatások és folyamatok figyelhetők meg. A jelenségek elméleti leírásában meghatározóak az atomi mágneses momentumok időfejlődését követő atomi szintű spin-dinamika és a nagyobb méretskálán működő mikromágneses szimulációk. A releváns rendszerek térbeli és kémiai heterogeneitása szükségessé teszi, hogy a spin-modellek paramétereit az atomi szerkezetnek megfelelő szelektivitással vegyük figyelembe. Ezt a sűrűségfunkcionál elméleten alapuló számítási módszereinkkel kielégítő pontossággal lehet elvégezni.
Kutatásaink célkitűzése az atomi vastagságú vékonyrétegekben és rétegstruktúrákban megfigyelt komplex és egzotikus mágneses struktúrák (doménfalak, spin-spirálok, különböző topológiájú spin-örvények) kialakulásának, stabilitásának és mozgásának vizsgálata. Kiemelten tanulmányozzuk a Dzsalosinszkij-Moriya (DM) kölcsönhatás szerepét, mely az utóbbi években igen nagy nemzetközi érdeklődést váltott ki.
Komplex mágneses anyagok (frusztrált mágneses szerkezetek, spin-spirálok és spin-örvények) spin-dinamikájának kísérleti vizsgálatára unikális spektroszkópiai eljárásokat alkalmazunk. A saját fejlesztésű időfelbontásos THz spektrométer segítségével széles frekvencia- és hőmérséklet-tartományban (100GHz—5THz; 4K-300K) tudjuk a komplex törésmutató spektrumot meghatározni. Kísérleteink eredményeiből a mágneses kölcsönhatások lokális paramétereire (anizotrópia, DM, kicserélődés), valamint a spin-hullám gerjesztések terjedésére következtethetünk.
Az alkalmazások szempontjából fontos kutatási területünk a nanorészecskék mágneses szerkezetének és dinamikájának elméleti vizsgálata. A számítógépes szimulációkból arra vonatkozóan nyerünk információt, hogy a nanorészecskék szuperparamágneses blokkolási hőmérsékletét hogyan lehet kontrollálni a részecskék alakjának és környezetének változtatásával. Ennek egy fontos alkalmazási területe a gyógyászati (tumordiagnosztikai és terápiás) célokat szolgáló mágneses nanorészecske hipertermia.