Väitös (fysiikka): MSc Anni Antola
MSc Anni Antola esittää väitöskirjansa ”GCMO-Based Memristors for Future Neuromorphic Processors” julkisesti tarkastettavaksi Turun yliopistossa perjantaina 12.6.2026 klo 12.00 (Turun yliopisto, Quantum, Auditorio, Turku).
Vastaväittäjänä toimii tohtori Babak Bakhit (Tanskan teknillinen yliopisto, Tanska) ja kustoksena professori Petriina Paturi (Turun yliopisto). Tilaisuus on englanninkielinen. Väitöksen alana on fysiikka.
Tiivistelmä väitöstutkimuksesta:
Väitöstutkimuksessa tutkitaan uudenlaisia elektroniikkakomponentteja, memristoreita, joita voidaan käyttää tulevaisuuden energiatehokkaassa tietojenkäsittelyssä ja neuromorfisissa eli aivojen toimintaa jäljittelevissä järjestelmissä. Memristori on komponentti, jonka sähkönjohtavuutta voidaan muuttaa (resistiivinen kytkeytyminen, resistive switching) ja joka voi muistaa aiemman resistanssitilansa. Ominaisuuksiensa vuoksi memristorit voivat toimia esimerkiksi keinotekoisten synapsien tai neuronien toimintojen rakennuspalikoina ja siten osana neuromorfisia tietokoneita.
Tutkimuksessa valmistettiin ja tutkittiin Gd(0.2)Ca(0.8)MnO(3) (GCMO) -oksidimateriaaliin perustuvia memristoreita eri kasvualustoilla ja laitegeometrioilla. Työn keskeinen tulos on, että näiden memristorilaitteiden toiminta riippuu voimakkaasti sekä ohuen materiaalikalvon rakenteellisesta laadusta että metallielektrodin ja oksidimateriaalin välisestä rajapinnasta. Erityisesti alumiinielektrodin ja GCMO:n väliin muodostuva ohut natiivi oksidikerros havaittiin keskeiseksi alueeksi, jossa laitteen ohjelmoitavissa oleva muistitoiminta syntyy. Tutkimuksessa hyödynnettiin laajaa valikoimaa valmistus- ja karakterisointimenetelmiä, kuten pulssilaserpinnoitusta, elektronisuihkuhöyrystystä, optista litografiaa, röntgendiffraktiota, röntgenfotoelektronispektroskopiaa, pyyhkäisyelektronimikroskopiaa, atomivoimamikroskopiaa sekä sähköisiä mittauksia.
Työssä osoitetaan, että GCMO-pohjaisilla laitteilla voidaan toteuttaa sekä pysyviä että osittain haihtuvia resistiivisiä kytkentöjä. Tutkimuksessa havaittiin, että hyvin kiteiset, epitaksiaaliset GCMO-kalvot tuottavat vakaata ja säädettävää muistitoimintaa, muistuttaen synapsiyhteyksien vahvuuksien muutoksia aivojen oppiessa. Toisaalta rakenteelliset viat ja monikiteisyys vaikuttavat siihen, kuinka pysyviä laitteen eri resistanssitilat ovat. Kun resistanssitilat ovat haihtuvia, memristorit ovat toiminnallisuudeltaan lähempänä neuronaalista käyttäytymistä, kuten vuotavan integraation (leaky-integrate) dynamiikkaa. Väitöstutkimus auttaa ymmärtämään, miten samaan materiaaliin perustuvat laitteet voivat toimia eri tavoin riippuen siitä, millaiselle alustalle ohutkalvo on kasvatettu ja millainen sen rajapinta elektrodin kanssa on.
Tutkimuksen laajempi merkitys liittyy tulevaisuuden tietotekniikkaan. Nykyiset tekoälyjärjestelmät kuluttavat paljon energiaa, koska muistaminen ja laskenta tapahtuvat usein erillisissä komponenteissa johtuen tavallisten tietokoneiden arkkitehtuurista. Memristorit voivat tarjota tavan yhdistää muistia ja laskentaa samaan komponenttiin. Tämä tutkimus lisää ymmärrystä siitä, millaisia materiaaleja ja rakenteita tarvitaan luotettavien neuromorfisten laitteiden kehittämiseen. Pitkällä aikavälillä tällainen tutkimus voi tukea energiatehokkaampien tekoäly- ja anturijärjestelmien kehitystä.
