Kayıp Dördüncü Eleman MEMRİSTÖR

Transkript

1 Kayıp Dördüncü Eleman MEMRİSTÖR Prof. Dr. Hasan EFEOĞLU Atatürk Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, E&E Müh. Bl. Nanobilim-Nanomühendislik Anabilim Dalı Öğretim Üyesi Ocak 2012, Çanakkale

2 Elektronikte Temel Devre Elamanları Kondansatör (Sığa) Volta/Franklin Direnç Ohm 1827 İndüktans Faraday/Henry 1831 Ortak özelliği kullanıldıkları devrelerde pasif olmalarıdır.

3 Ohm Kanunu ve Direnç Akım (I) a R + - b V b -V a = -V ba

4 Pasif devre elemanı olan direnç, uçları arasındaki potansiyel fark ile doğru orantılı olarak üzerinden akım geçiren lineer devre elemanıdır. Gerilim akım ilişkisi bildiğimiz Ohm yasası ile tanımlıdır. Bu iki değişkenin orantı katsayısı R (direnç) olmak üzere aralarındaki ilişki V ba (Volt)= R (direnç) x I (akım) ile verilir. Direnç enerji harcadığı için mekanik sistemlerde sürtünmeye karşılık gelir ve enerji kaybı dirençde açığa çıkan ısıya eşdeğerdir. Direnci geçmek isteyen bir yükün kaybettiyi enerjiden dolayı akım yönünde bir potansiyel düşmesi olur.

5 Kondansatör +Q -Q I = C dv dt Q = C V

6 Bu devre elemanı üzerinden geçen akım uçlarına uygulanan potansiyel farkın zamana göre değişimi ile orantılıdır. Orantı katsayısı sığa sabitdir ve birimi Farad (F) Sürülen akım ile yük kaynağının yaptığı iş kondansatörde elektrik alanında depo edilen enerjidir. Kondansatör mekanik sistemlerde bir yay sistemine karşılık gelir.

7 İndüktans V = L di dt

8 Bu devre elemanının uçları arasında, üzerinden geçen akımın değişim hızıyla orantılı bir potansiyel farkı oluşur. Orantı katsayısı indüktansdır birimi Henry (H) Sürülen akım ile yük kaynağının yaptığı iş indüktansın manyetik alanında depo edilen enerjidir. İndüktans akım değişimine karşı sergilediği eğlemsizlikten dolayı mekanik sistemlerde kütleye karşılık gelir.

9 Elektrik-Manyetizmada Temel Büyüklükler q = Yük i = Akım v = Voltaj = Manyetik Akı

10 Temel Büyüklükler Arasındaki İlişkiler Direnç V=R i Sığa q=cv İndüktans φ=li

11 Genel Bakış Açısı İle Elektrik manyetizmanın, q v i φ 4 temel parametresi arasında muhtemel 6 ilişki vardır.

12

13 dφ = v dt R = dv di V C = dq dv i dq = i dt q L = d di İLİŞKİ? d dq?

14 Simetrinin Tamamlanması d dq? q- arasındaki ilişki teorik olarak 1971 yılında önerilmiştir.

15

16 Teorik öngörünün yapıldığı tarihte iki terminalli devre elemanı deneysel olarak gerçekleşmiş olmamasına rağmen memristör özelliğini taşıyan ve yük-akı arasındaki ilişkiyi sergileyen eşdeğer elektronik devre Chou [1] tarafından tasarlanmştır. [1]LEON 0. CHUA, Memristor-The Missing Circuit Element EEE TRANSACTIONS ON CIRCUIT THEORY, VOL. CT-18, NO. 5, SEPTEMBER

17

18 Neden Memristör? Memristor - Memory Resistance (Hafızalı Direnç) Teorik öngörüde bu eleman üzerinden geçen son akımın büyüklüğünü hatırladığından bu isim verilmiştir. Diğer bir ifade ile bu eleman üzerinden geçen akım kesilse dahi tekrar elektrik verildiğinde son durumunu hatırlar. M d dq v( t) M( q( t)) i( t)

19 dφ = v dt R = dv di V C = dq dv i dq = i dt q L = d di d M dq v( t) M( q( t)) i( t)

20 Herhangi bir t anında sıradan direnç gibi davranan memristörün direnci üzerinden geçen toplam akıma bağlı olarak değişir. Chou makalesinde [1]: Aktif devre elemanları ile gerçekleştirdiği memristörün tek aygıt formunda keşfedilebileceği öngörüsünde de bulunmuştur. [1]LEON 0. CHUA, Memristor-The Missing Circuit Element EEE TRANSACTIONS ON CIRCUIT THEORY, VOL. CT-18, NO. 5, SEPTEMBER

21 Memristörün Keşfi Memristiv davranış aslında tabiatta bazı malzemelerin doğasında var olan bir özelliktir. ancak Makro boyuttaki yapılarda memristiv davranış çok zayıf olduğundan farkına varılamamıştır. Algılandığı çalışmalarda ise gözlenen olaylar açıklanamadığından anormal davranış olarak değerlendirilmiştir. Aslında Memristiv davranış mikron altı boyutta nano dünyada etkin görülmeye başlanan bir davranıştır.

22 Kimyasal Hücre Direncinin Zamana Bağlılığı Literatürde Chou tarafından önerilen memristörün çalışma özelliklerini sergileyen ve E-Cell olarak ta ifade edilen ve Coul Cell iki elektrot ve bir elektrolitten oluşan iki terminalli sistemdir. Bu sistemde geçen toplam akıma bağlı olarak direnç zamanla değişir ve belirli bir süre içinde düşük direnç durumundan yüksek direnç durumuna geçer. Katod olarak kullanılan gümüş kaplanmış elektrot üzerindeki toplam gümüş ve akıma bağlı olarak saniyelerden aylar mertebesine kadar gecikme oluşturma özelliği ile memristör tanımını Coul Cell karşılamaktadır.

23 İlk Deneysel Gözlem Memristiv davranış ilk kez 2008 yılında HP araştırmacıları tarafından gerçekleştirilerek Nature dergisinde duyuruldu.

24 HP araştırmacıları çalışmalarında Pt/TiO 2 /Pt yapısında iki Pt film arasına Katkılanmış TiO 2 ve Katkılanmamış TiO 2-x bölgeleri oluşturmuşturlar. Katkılanmış ve katkılanmamış bölgelerin toplam kalınlığı bir kaç nm mertebesindedir.

25 Pt / TiO2 / TiO 2-x / Pt - Memristör X~0.05

26 M katsayısı burada katkılanmş ve katkılanmamış bölgelerin toplam kalınlığına karşılık gelir. Mikron boyuttan nm skalasına inildiğinde M(q) sabitinin 1/D 2 ye bağlılığından dolayı M(q) kez artmaktadır. Bu nedenle makro boyutta insanlığın dikkatinden kaçan bir detay günümüzde nanoteknolojideki çalışmalar ile bilim insanlarının dikkatini çekmiştir.

27 Memristörün Teknolojideki Yeri Moore yasasının öngörüsü doğrultusundaki teknolojide bazı gelişmeler durma noktasına gelmiştir. Memristör bu noktada nm boyutunda oluşu ile çok yüksek yoğunlukta aygıt fabrikasyonuna imkan vermesi ve HP araştırmacılarının 20GHz de anahtarlama yapabilen memristör gerçekleştirmeleri bu alandaki potansiyeli göstermektedir. HP ve Hynix 2013 yılında memristör tabanlı hafıza elemanlarını piyasaya süreceklerini açıkladı.

28 Bazı Potansiyel Uygulamalar Programlanabilir kapı dizileri (FPGA) havacılık ve savunma sanayinde daha da artan sayıda potansiyel uygulamaları ortaya çıkmaktadır [1]. Özellikle askeri ugulamalarda programlanmış FPGA den ters mühendislikle tasarımın ortaya çıkarılmasını önlemek için kendi kendini imha etmek üzere anti-tamper teknolojisi kullanılır. Memristör tabanlı sistemlerde ise tersine mühendisliğin önüne geçmek üzere devreyi imha etmeden yapısal dönüşümle tamamen çalışmaz hale gelmesi veya fonksiyonun yeniden tanımlanması mümkün. Donanım çalışmasının kriptolanması, Bir aygıtın fonksiyonunun yeniden tanımlanması, Nöron benzeşimi ile yüksek kapasiteli işlem yoğunluğu, Hafıza yoğunluğunun günümüz limetlerini aşması, Moore yasasının bir süre daha devam etmesi [1] John Keller, Military and Aerospace Electronics, p44, February 2011

29 Biz Ne Yapıyoruz? Nanoteknoloji : Katıhal Elektroniği Araştırma Laboratuarı BAP-TÜBİTAK-DPT proje destekleri ile kuruldu. Memristör alanında çalışmak üzere TÜBİTAK ve BAP kaynaklarından alınan destekler ile Eylül de çalışmalarımız başladı.

30 Aygıt Fabrikasyon ve Numune Hazırlama Alanı

31 Fotolumünesans ZnO yapıda ve Fotolumünesans Akım Gerilim Kapasitans Ölçümü Yapılırken Ölçüm Sistemi

32 I-V(T) ve Sıcaklığa CV(T) I-V(T) haritalama Bağlı Ölçümü Akım kryostatı Yapılırken Gerilim Ölçümü ve XYZ sürücüsü

33 Konfokal Fotolumünesans Haritalama Sistemi

34 19 Aralık 2011 de Araştırma Grubumuzun Laboratuarı.

35 Son Sözümüz Kimler proje üretme kapasitesine sahiptir? Sürekli Öğrenme Felsefesi ile İhtiyacından da Fazla Öğrenen Kişiler Proje Üretir

36 Teşekkürler

37 Çalıştay Arifesinde Gün Batımı 21/01/2012 Çanakkale