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革命性發(fā)現(xiàn)：硒化銦晶體到玻璃的轉(zhuǎn)變，能耗降低十億倍

文章來源：賢集網(wǎng) 更新時間：2024-11-11 15:42:49

11 月 6 日，由印度科學(xué)研究院（IISc）、賓夕法尼亞大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（賓夕法尼亞工程學(xué)院）和麻省理工學(xué)院（麻省理工學(xué)院）等科研機構(gòu)的科學(xué)家組成的合作團(tuán)隊，在《自然》（Nature）雜志上發(fā)表了一項關(guān)于硒化銦的突破性研究。研究發(fā)現(xiàn)，硒化銦能夠以一種極為獨特的方式實現(xiàn)從晶體相到玻璃相的轉(zhuǎn)變，且這一轉(zhuǎn)變過程所需的能量相較于傳統(tǒng)用于將晶體轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡУ娜廴诖慊鸱ㄉ偈畠|倍，這無疑是一個令人矚目的發(fā)現(xiàn)。

在研究過程中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)當(dāng)電流通過由二維鐵電材料硒化銦制成的導(dǎo)線時，這種材料的長段會突然非晶化成玻璃。這一現(xiàn)象與傳統(tǒng)認(rèn)知大相徑庭，通常情況下，人們認(rèn)為需要電脈沖來誘導(dǎo)材料的變形，而此次實驗中，持續(xù)電流竟然破壞了晶體結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了非晶化轉(zhuǎn)變。

研究小組進(jìn)一步深入探究這一過程，發(fā)現(xiàn)當(dāng)持續(xù)電流平行通過材料的二維層時，二維層會在不同方向上相互滑動，從而形成許多具有特定偶極矩的微小區(qū)域，即疇。這些疇被分隔疇的輔助區(qū)域所束縛，當(dāng)多個缺陷相交于一個小的納米區(qū)域時，就如同在墻上打了過多的洞，致使晶體的結(jié)構(gòu)完整性崩潰，進(jìn)而在局部形成玻璃。

這些疇界會隨著電場移動，當(dāng)它們相互碰撞時，會產(chǎn)生類似地震的機械（和電氣）沖擊，這種沖擊會引發(fā)雪崩效應(yīng)，造成遠(yuǎn)離震中的擾動，產(chǎn)生更多的疇界和玻璃化區(qū)域，進(jìn)而引發(fā)更多的類似沖擊。當(dāng)整個材料最終變成玻璃（長程非晶化）時，雪崩效應(yīng)才會停止。

硒化銦之所以能夠?qū)崿F(xiàn)這種通過沖擊達(dá)成的非晶化超低能量途徑，得益于其多種獨特性質(zhì)的共同作用，包括二維結(jié)構(gòu)、鐵電性和壓電性等。

一、傳統(tǒng)內(nèi)存存儲技術(shù)的能耗困境

在內(nèi)存存儲領(lǐng)域，傳統(tǒng)技術(shù)長期以來面臨著能耗方面的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。以隨機訪問內(nèi)存（RAM）為例，它作為計算機系統(tǒng)中用于臨時保存數(shù)據(jù)的關(guān)鍵存儲形式，能夠快速讀取和寫入服務(wù)器信息，有力地支撐了計算機的高效運行。然而，當(dāng)計算機系統(tǒng)關(guān)閉時，其存儲的數(shù)據(jù)會丟失，這也凸顯了它作為臨時存儲器的特性。RAM 采用插件式模塊結(jié)構(gòu)，可直接與計算機主板上的插槽相連，實現(xiàn)便捷的快速讀取和寫入操作，并且能根據(jù)數(shù)據(jù)存儲需求的變化隨時進(jìn)行添加或更換。

在眾多內(nèi)存存儲技術(shù)中，相變存儲器（PCM）占據(jù)著重要地位。在目前廣泛應(yīng)用的相變存儲器中，數(shù)據(jù)的寫入和擦除過程是通過交替變化來實現(xiàn)的，從而為用戶提供編程信息更新和存取功能。具體而言，是將熱量施加給相變存儲器本身，以此觸發(fā)其進(jìn)入一種脆性相變過程，在此過程中，大約有 50% 的動量會對相變存儲器產(chǎn)生影響。

然而，這種傳統(tǒng)的相變存儲器存在一個顯著的問題，那就是能耗過高。無論是在寫入還是擦除數(shù)據(jù)的過程中，都需要消耗大量的能量。尤其是在寫入過程中，晶體需要被加熱到超過 800°C 的高溫，然后再突然冷卻，這一熔化 - 淬火過程極為耗能。類似的情況也出現(xiàn)在 CD、DVD 和藍(lán)光光盤等存儲設(shè)備中，它們同樣是使用激光脈沖將晶體材料快速加熱并淬火至玻璃相來實現(xiàn)數(shù)據(jù)寫入，而逆轉(zhuǎn)過程則可能擦除數(shù)據(jù)。

這種高能耗的存儲方式不僅增加了設(shè)備的運行成本，還會產(chǎn)生大量的熱量，對設(shè)備的穩(wěn)定運行帶來諸多不利影響，如散熱問題可能導(dǎo)致設(shè)備性能下降甚至出現(xiàn)故障。因此，尋找一種能夠降低能耗的新型存儲技術(shù)，成為了科研人員亟待攻克的重要課題。

二、硒化銦轉(zhuǎn)變機制與新型存儲器的潛力

深入研究硒化銦從晶體到玻璃的轉(zhuǎn)變機制，對于理解其在內(nèi)存存儲領(lǐng)域的應(yīng)用潛力至關(guān)重要。

在實驗觀察中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)當(dāng)在納米尺度下有較大電流經(jīng)過硒化銦時，其表面和體積都會發(fā)生變化，這種變化呈現(xiàn)出類似雪崩的特征，因此被稱之為 “雪崩效應(yīng)”。雖然最初對于造成雪崩效應(yīng)的具體原因并不清晰，但經(jīng)過后續(xù)研究推測，可能與極化、壓電或者鐵電等現(xiàn)象有關(guān)。

進(jìn)一步研究還發(fā)現(xiàn)，在樣品發(fā)生雪崩效應(yīng)時，表面上會表現(xiàn)得如同電極極性翻轉(zhuǎn)那樣。而鐵電性質(zhì)能夠使存儲單元具備永久極性，對于硒化?In 這種非晶態(tài)材料來說，其表現(xiàn)出的類似鐵電的特性使其極有可能成為一種新型的非易失性存儲器。

基于硒化銦的這些特性，科研人員提出了一些關(guān)于如何利用其實現(xiàn)更低能耗存儲的設(shè)想。一種可能性是將硒化銦原料作為通用 “軟開關(guān)” 并與現(xiàn)代 CMOS 系統(tǒng)搭配使用。就像 “相變存儲技術(shù)之父” 斯坦福大學(xué)教授蘭迪?卡德爾（Randy K. Kadel）所展望的那樣，可以將硒化銦作為其他相變材料納米片，使其與現(xiàn)代 CMOS 系統(tǒng)、三維設(shè)計等傳輸相結(jié)合，從而應(yīng)用于數(shù)據(jù)存儲硬件上。

此外，科學(xué)家們還提出構(gòu)建全新的數(shù)據(jù)存儲架構(gòu)，即將二進(jìn)制數(shù)據(jù)信息映射到硒化銦像素極性中，然后利用可操作 CMOS 技術(shù)將其作為一些數(shù)據(jù)位，以此實現(xiàn)盡可能高效的元件設(shè)計。盡管目前這些設(shè)想還處于繪圖設(shè)計階段，尚未完全實現(xiàn)，但無疑為未來硒化銦在內(nèi)存存儲領(lǐng)域的應(yīng)用指明了方向。

三、硒化銦在內(nèi)存存儲應(yīng)用中的優(yōu)勢與展望

若將硒化銦應(yīng)用于不同的內(nèi)存存儲產(chǎn)品中，有望帶來諸多顯著優(yōu)勢，為內(nèi)存存儲技術(shù)的發(fā)展開辟新的道路。

首先，硒化銦作為內(nèi)存代表應(yīng)用時，能夠?qū)崿F(xiàn)高效節(jié)能。每個內(nèi)存單元都可通過電流通過來實現(xiàn)無時間延遲的狀態(tài)轉(zhuǎn)變，從而快速改變開關(guān)狀態(tài)，使得數(shù)據(jù)能夠更迅速地被讀取和快照更新。相較于傳統(tǒng)的 FAT 等內(nèi)存格式，其數(shù)據(jù)編程時間長且需要大量電能，硒化銦在這方面無疑展現(xiàn)出了突出的優(yōu)勢。

從長遠(yuǎn)來看，當(dāng)研究人員進(jìn)一步掌握如何利用硒化銦的新發(fā)現(xiàn)進(jìn)行組合或者開發(fā)新型材料以實現(xiàn)最佳性能時，常規(guī)存儲雖仍會占據(jù)一定市場份額，但硒化銦的應(yīng)用有望使存儲效率得到顯著提升。例如，通過使用不同余量等來識別不同狀態(tài)，可能會進(jìn)一步提高存儲效率。

在目前廣泛使用的相變存儲器中，每次寫入和擦除操作都伴隨著一定的能耗消耗，為了實現(xiàn)最佳利益，需要充分利用信息編程和解讀速率最大化功能，確保不丟失任何信息且避免重復(fù)編程。而硒化銦的出現(xiàn)，為解決這一問題提供了新的思路和可能性。

隨著科技的不斷進(jìn)步，硒化銦的這一革命性發(fā)現(xiàn)有望推動內(nèi)存存儲技術(shù)實現(xiàn)重大變革，從手機到手機等各類電子設(shè)備的數(shù)據(jù)存儲方式都可能因此而發(fā)生改變。未來，我們有理由期待硒化銦在內(nèi)存存儲領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，實現(xiàn)更低能耗、更高效率的數(shù)據(jù)存儲，為數(shù)字化時代的發(fā)展提供更強勁的支撐。

硒化銦晶體到玻璃的轉(zhuǎn)變這一突破性發(fā)現(xiàn)，以其能耗降低十億倍的巨大優(yōu)勢，為內(nèi)存存儲技術(shù)帶來了前所未有的機遇。通過深入研究其特性、轉(zhuǎn)變機制以及應(yīng)用潛力，我們看到了硒化銦在未來內(nèi)存存儲領(lǐng)域的廣闊前景。相信在科研人員的不斷努力下，這一新型存儲技術(shù)將逐步走向成熟，為電子設(shè)備的發(fā)展注入新的活力，開啟內(nèi)存存儲技術(shù)的新篇章。

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