Computational design and analysis of nanostructured materials for neuromorphic engineering
Neuromorfik mühendislik için nano yapılı malzemelerin hesaplamalı tasarımı ve analizi
- Tez No: 858011
- Danışmanlar: PROF. DR. HİLMİ ÜNLÜ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 218
Özet
Elektronik yapı teorileri, yoğunluk fonksiyonel teori gibi elektronik yapı teorilerini kullanarak nanometre ölçeğindeki materyallerin elektronik yapılarını inceliyoruz. Gerilim altındaki nanometre ölçeğindeki iki boyutlu akıllı malzemeler ve bunların nöromorfik hesaplama için elektronik cihazlar olarak kullanımı araştırılmaktadır. İki boyutlu materyallerin diğer materyallerle, örneğin, metallerle birleştirilmesi, bu çalışmanın kapsamındadır. Yoğunluk fonksiyonel teori hesaplamaları, Quantum ESPRESSO simülasyon paketi kullanılarak yapılmaktadır. Tasarlanmış ve analiz edilmiş nöromorfik elektronik malzemeler, mevcut teknolojik verilerle karşılaştırılarak simüle edilmektedir. Tez, ilk olarak malzeme seçimi açısından önemli olup; ikinci olarak, homo-yapıların ve hetero-yapıların gerçekleştirilmesi ve bu yapılar üzerindeki mekanik gerilme etkilerinin anlaşılması açısından; üçüncü olarak, uygulama alanı açısından; yani, hafıza için nöromorfik elektronik cihazlar açısından önem taşımaktadır. Tezin genel amacı ve kapsamı bölüm bölüm aşağıdaki listelenebilir. Birinci bölümde,“Atomik İncelikte, Ultra Hızlı ve Evrensel Biyolojik Sinapsların Atomik İnce Dikey Heteroyapılar Kullanılarak Benzetimi”: Yoğunluk fonksiyonel teori ve Boltzmann transport yöntemleri kullanarak heteroyapıların akım-gerilim ve benzeri özelliklerini bulduk, bu özellikler ilgili akım-gerilim ilişkisinden histerisis özelliklerini ortaya çıkarabilir. Ayrıca, sinaps özelliklerini göstermek için zamana bağlı yoğunluk fonksiyonel teori kullandık. Nitrojen elementinin eksikliği ile sağlıklı bir sinapsı ve Nitrojen elementinin eksik olmadığı heteroyapı ile işlevsiz sinapsları gösteriyoruz. Sonrasında, bu sinapsları Nitrojen ekleme yöntemiyle iyileştiriyoruz. Burada tek bir atom sinapsların özelliklerini manipüle edebilir. Oluşturulan heteroyapılar öğrenme, bellek ve bunun gibi farklı yeteneklere sahiptir. Bu heteroyapıları çiplerde belirli beyin bölgelerini gerçekleştirmek için kullanabiliriz çünkü beynin her bölgesi genellikle bir yetenekte sorumludur. İkinci bölümde,“Tungsten Temelli WSeO, WSeS, WSeSe ve WSeTe'nin İki Taraflı Tek Katmanlı Yapılarında Bakteriyel Öğrenme ve Belleği Taklit Etme”: Nöromorfik malzemeler hakkındaki mevcut literatür, iki boyutlu materyaller kullanarak insan'ın sinaps ve nöronlarına benzemenin nasıl gösterilebileceğini göstermeye dayanmaktadır. Bu bölümde, ilk kez bildiğimize göre, iki boyutlu materyalleri kullanarak bakteriyel öğrenme ve belleği taklit etmenin nasıl olduğunu gösteriyoruz. Bunun için bu özellikleri iki boyutlu malzemelerde göstermek için bir kuantum memristörü ve faz değişimi benzeri mekanizmalar kullandık. Modelleme, bakterinin gen düzenleyici ağı tarafından belirlenen denklemle doğrudan uyumlu olup, ayrıca gerçek dünya bakterisine benzeyen fiziksel bir modeldir, bu da deneysel biyoloji literatüründeki bazı makaleler tarafından desteklenmektedir. Üçüncü bölümde,“Transfer Baskı ile Bir Direnç Anahtarlama Cihazının Tek Elektron Hassasiyetinde Ayarlanması”: Bir iletken filament oluşturan direnç anahtarlama cihazının elektrokimyasal olarak etkin üst elektrodunu inert bir elektrot ile nasıl değiştireceğimize odaklanıyoruz. Bunun için bir direnç anahtarlama cihazı tasarlamak ve modellemek için bir moleküler bağlantıyı incelemekteyiz, moleküler bağlantı kendiliğinden düzenlenmiş monokatmanlardan oluşmaktadır. Direnç anahtarlama, transfer baskı işleminden sonra inert üst elektroddan penetre olan Au atomları aracılığıyla kurulur. Burada, Au adası aracılığıyla Coulomb engelleme etkisi ve kendiliğinden düzenlenmiş monokatmanlar aracılığıyla tünelleme, direnç anahtarlama fenomenini açıklamak için iki etkili olgudur. Sonuç olarak, moleküler bir bağlantı, yoğunluk fonksiyonel teori yöntemleri kullanılarak incelenmiş ve çevresel etkiler, Quantum ESPRESSO'nun“environ”modülü kullanılarak modellenmiştir. Dördüncü bölümde,“Tek Katmanlı Altıgen Bor Nitrür ve Grafen Dikey Heteroyapı Modeli ile Direnç Anahtarlama Cihazlarında Cihazdan Cihaza Değişkenliklerin Hesaplamalı Analizi”: İki atomik ince malzeme arasındaki ara katman mesafesini değiştirerek atomik ince heteroyapılar arasındaki arayüzlerdeki hataları ve etkilerini gösteren basit bir model sunuyoruz. Bu model, yoğunluk fonksiyonel teori yöntemleri kullanılarak metal-izolatör-metal dikey yapılarındaki direnç anahtarlama cihazlarının akım-gerilim karakteristiklerindeki değişikliklere içgörü kazanmamıza olanak tanıyacaktır. Arayüzleri değişen mesafelerle modellemenin ve bunun akım-gerilim karakteristiklerini nasıl etkilediğini göstermenin bu şekilde ilk kez yorumlandığına inanıyoruz. Ayrıca, son alt bölüm, nöronları taklit etmenin çok önemli ve kolay bir yolunu ortaya koymaktadır. Beşinci bölümde,“Bileşik Yarıiletken Sentezinin Atomistik Kökenleri ile Hesaplamalı Nöromorfik Mühendislik”: Bu makale, daha önce“WSeO, WSeS, WSeSe ve WSeTe ile Tungsten Tabanlı İki Yüzlü Tek Katmanlı Bakteriyel Öğrenme ve Belleği Taklit Etme”başlıklı Journal of Applied Physics'te yayımlanan makalemizin devamı olarak kabul edilebilir. Bu yeni bölümde, benzer bir metodolojiyi başka bir bakteriye uyguluyoruz. Ancak, yeni makalemizin asıl amacı bundan öteye gitmektedir. Amacımız, bileşik yarıiletken sentezi sırasında memristivite potansiyelini göstermektir. Kimyasal buhar biriktirme temelli yöntemleri kullanarak yapılan fabrikasyon sürecinin kimyasal kinetikler açısından kapsamlı bir anlayış eksikliği olduğu geniş bir şekilde kabul edilmektedir. Büyüme süreçlerinin öğrenme davranışı sergilediğini ve hafızaya sahip olduğunu nasıl açıkladığımızı aydınlatmaya çalışıyoruz. Bu, büyümenin en küçük potansiyel olarak anlamlı alt birimi olan rezonans tünelleme diyot yapısı analiz edilerek elde edilir. Ayrıca, $sp^3s^*$ yarı empirik sıkı bağ modelleme yöntemleri, düşük hesaplama maliyetinde yoğunluk fonksiyonel teoriden daha doğru enerji bant boşluklarını tahmin ediyor ve bileşik yarıiletkenlerin incelenmesine izin veriyor. Tez boyunca yaptığımız çalışma genellikle yoğunluk fonksiyonel teorisi temellidir. Burada, malzemelerin elektronik yapısını incelemek için elektron yoğunluğunu ele alacağız. Bu şekilde, yoğunluğu enerjiyle bağlayan fonksiyonlar bulunmuş ve yoğunluğu enerji ile bağlayan fonksiyonları bulmanın elektron yoğunluğuyla yapılmasının yeterli olduğu belirlenmiştir. Bu da demek oluyor ki sistemin Hamiltonian'ını hesaplamak için çoklu elektron dalga fonksiyonunun inşasına gerek olmadan sistemin temel durumu enerjisi belirlenir. Sonuç olarak, nanometre ölçeğindeki iki boyutlu malzemelerin uygulamalı hesaplamalı malzeme bilimi yöntemleri kullanılarak bilgisayarlı çalışmalarının, nöromorfik cihazların performansını artırabileceğine inanıyoruz.
Özet (Çeviri)
We study electronic structure of nanometer-scale materials using electronic structure theories like density functional theory. Nanoscale two-dimensional intelligent materials under strain, and their applications as electronic devices for neuromorphic computing is investigated. Combination of two-dimensional materials with other materials are in the scope of this work. Density functional theory calculations are done using Quantum ESPRESSO simulation suite. Designed and analysed neuromorphic electronic materials are simulated and compared with available technological data.Thesis has significance in terms of the choice of materials; secondly, in terms of the realization of homostructures, and heterostructures, and understanding the mechanical strain effects in these structures; thirdly, in terms of the application area; namely, neuromorphic electronic devices for memories. The overall purpose and the scope of the thesis can be listed chapter-wise. In Chapter 2,“Single atom precise, ultrafast, and universal emulation of biological synapses using atomically thin vertical heterostructures”: We realize the current voltage-like characteristics of heterostructures using density functional theory and Boltzmann transport methods, which can reveal the hysteresis characteristics. Moreover, we used time dependent density functional theory to show characteristics of synapses. We show a healthy synapse with N vacancy and dysfunctional synapses with pristine heterostructure. We heal the dysfunctional synapses using N intercalation. Here, a single atom can manipulate the behavior of different synapses. Created heterostructures have different abilities of learning, memory, and so on. One can use these heterostructures to realize certain brain regions on chips because every region of the brain is responsible and superb in one ability mostly. In Chapter 3,“Mimicking bacterial learning and memory in tungsten based two-sided single layers of WSeO, WSeS, WSeSe, and WSeTe”: The current literature about neuromorphic materials is based on showing how one can resemble to synapses and neurons of Human using two-dimensional materials. In this chapter, we are showing for the very first time to the best of our knowledge how to use 2D materials to mimic the characteristics of the bacterial learning and memory. We developed methods to show this in 2D materials using a quantum memristor and phase-change like mechanisms. Our modeling is directly comply with the gene regulatory network's governing equation of bacteria, also physical model resemble to the real world bacteria, which is supported by experimental biological letters. In Chapter 4,“Single-electron-precise tailoring of a resistive-switching device with transfer printing”: We focus on how to replace the electrochemically active top electrode of a conductive filament forming resistive switching device with an inert electrode. For this, we study a molecular junction to design and model a resistive switching device based on a single-electron box effect, where the molecular junction composed of self-assembled monolayers. Resistive switching is establish through the penetrating Au atoms from the inert top electrode after transfer printing process. Here, Coulomb blockade effect through Au island and tunneling through the self-assembled monolayers are the two effective phenomenon to explain the resistive switching. To conclude, a molecular junction is studied using the methods of density functional theory and environmental effects are modeled using the Quantum ESPRESSO's module environ. In Chapter 5,“Computational Analysis of Device-to-Device Variability in Resistive Switching devices through Single-Layer Hexagonal Boron Nitride and Graphene Vertical Heterostructure Model”: We show a simple model for defects and their effects at the interfaces of atomically thin heterostructures by varying the interlayer distance between two atomically thin materials forming the heterostructure. This model will allow us to gain insights into variations in current-voltage characteristics of resistive switching devices compose of metal-insulator-metal vertical structures using the methods of density functional theory. We believe this approach of modeling interfaces with varying distances and showing how it affects the current-voltage characteristics is first time interpreted in this way. Also, the last subsection reveals a very important and easy way to mimic the neurons. In Chapter 6,“Atomistic origins of compound semiconductor synthesis with computational neuromorphic engineering”: This article can be considered a follow-up to our previously published article in the Journal of Applied Physics titled 'Mimicking Bacterial Learning and Memory in Tungsten-based Two-sided Single Layers of WSeO, WSeS, WSeSe, and WSeTe.' In this new chapter, we apply a similar methodology to another bacterium. However, the primary objective of our new article extends beyond this. Our aim is to demonstrate the potential for memristivity during compound semiconductor synthesis. It is widely recognized that the fabrication process using chemical vapor deposition based methods lacks a comprehensive understanding in terms of chemical kinetics. We endeavor to elucidate how growth processes exhibit learning behavior and possess memory. This is achieved through the analysis of the smallest potentially meaningful subunit of the growth: the resonant tunneling diode structure. Furthermore, we illustrate how the convergence of various computational methods—such as tight-binding, density functional theory, transfer matrix, and Boltzmann transport theory—can contribute to the design of future multinary memristors. Specifically, $sp^3s^*$ semiempirical tight-binding methods are predicting energy band gaps more accurately than density functional theory at a low computational cost and allow the investigation of compound semiconductors. Our work throughout this thesis is mainly based on density functional theory. Here, we will consider electron density to investigate the electronic structure of the materials. In this way, researchers found functionals, which are connecting the density with the energy. Density functional theory is based on interacting electrons in an external potential. The ground state energy is determined as the unique functional of the electronic density, which means that the ground state electron density is enough to construct the Hamiltonian of the system, and it verify that the construction of many electron wave function is not required to calculate the ground state properties. To conclude, we believe that the computational studies of nanoscale two-dimensional materials using the methods of applied computational materials science can enhance the performance of the neuromorphic devices.
Benzer Tezler
- Novel design-based complex nanostructures in hybrid core-shell architectures for high-efficiency light generation
Yüksek verimli ışık üretimi için melez çekirdek-kabuk mimarili yenilikçi dizayn temelli kompleks nanoyapılar
İLKEM ÖZGE ÖZEL
Yüksek Lisans
İngilizce
2010
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HİLMİ VOLKAN DEMİR
- Eğri eksenli nano çubukların düzlem dışı statik ve dinamik problemlerinin yerel olmayan elastisite teorisi ile analitik çözümü
Analytical solutions of out-of-plane static and dynamic problems of curved nanobeams using nonlocal elasticity theory
SERHAN AYDIN AYA
Doktora
Türkçe
2017
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EKREM TÜFEKCİ
- Karbon tabanlı yeni hibrit nano-yapıların modellenmesi ve analizi
Modeling and analysis of carbon based new hybrid nano-structures
ÜNAL DEĞİRMENCİ
Doktora
Türkçe
2019
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MESUT KIRCA
- Nanoçubuklarda büyük yer değiştirme ve yerel olmayan elastisite teorilerine göre deplasman hesabı
Calculation of displacements of nanorods according to nonlocal theory of elasticity and large displacement theory
GÖKHAN GÜÇLÜ
Doktora
Türkçe
2020
Matematikİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. REHA ARTAN
- Engineering of plasmonic excitations for hand-held and ultra sensitive biosensors
Başlık çevirisi yok
ARİF ENGİN ÇETİN