研究人员打造形变分子存储器

美国加州大学柏克莱分校与国家实验室的研究人员正着手打造一种分子大小的形变记忆体技术, 它只需要几个原子, 就可以将0与1当做形状进行储存, 而且能搭配未来的原子级处理器…

随着互补式金属氧化物半导体(CMOS)接近原子级, 一种分子大小的形变(shape-changing)记忆体技术正日趋完善, 从而可逆地改变二碲化钼(MoTe2)的晶格结构.

根据美国加州大学柏克莱分校(UC Berkeley)教授兼罗伦斯柏克莱国家实验室(LBNL)材料科学处长张翔表示, 这种途径仅需要几个原子, 就可以将0与1当做形状进行储存, 从而实现能够储存机械材质的固态记忆体, 而且能够搭配未来的原子级处理器.

该技术使用电子注入方式——而非依电荷, 自旋或任何短暂数量来编码记忆体, 而能够在可逆的过程中改变MoTe2的晶格结构. 根据张翔解释, 透过电刺激重新安排原子结构, 改变了材料的特性, 从而能使用较转移化学特性所需的更少能量来形成与感应0与1, 或是像在相变(phase-change)记忆体中一样以热感应跃迁.

实现这个过程的关键在于使用过渡金属二硫属化物(TMD)——在此情况下, MoTe2的原子级单层薄膜使其内部晶格结构得以透过在两稳态之间转移结构的电子脉冲加以改变. 张翔联手其于UC Berkeley和Berkeley国家实验室的研究人员共同研究, 在他们所使用的MoTe2薄膜例子中, 两种稳定的晶格结构是对称的2H排列, 与其相对的是1T结构.

未来的记忆体可以采用电子注入方式, 可逆地改变2D半导体的晶体结构. 在两电极之间夹层一个原子级的MoTe2薄膜单层, 并以储存电荷的离子液滴加以覆盖. 当施加较小的电压时, 电子被注入, 从而使其从对称(2H) 结构转变成倾斜的(1T)排列. (来源: LBNL)

柏克莱的研究人员们目前正尝试使用各种不同的TMD作为目标材料, 以实现其形变晶格结构的电子注入法, 但MoTe2由于兼具可加以改变的电子和光子特性而较受青睐. 研究人员的目标在于创造一个 '设计薄膜' 库, 可用于电脑和光学应用, 包括太阳能电池板.

在2D, 单层TMD薄膜中, 能以电子方式改变电和光的特性, 包括电阻, 自旋传输, 以及Berkeley研究方法所使用与相位有关的形状改变等.

UC Berkeley教授兼LBNL材料科学处长张翔

张翔表示, 研究人员的验证概念使用了 '静电掺杂' 电子(而非原子), 用于作为掺杂剂. 而在以离子液体涂覆MoTe2单层之后, 研究人员运用注入的电子掺杂剂以改变晶格的形状, 据称能够打造出毫无缺陷的材料. 由此所产生的1T结构是倾斜且金属的, 使其易于与半金属结构的2H原子晶格排列方式有所区隔. 透过施加较低电压以移除掺杂的电子, 从而恢复了原始的2H结构.

美国能源部(DoE)赞助了这项研究计划. DoE的基础能源科学办公室执行传输研究, 而其能源转换先进研究中心(Energy Conversion Frontier Research Center; EFRC)的光物质互动(Light-Material Interactions; LMI)进行光学测量. DOE EFRC和美国国家科学基金会(NSF)透过装置设计和制造为该计划提供支援. 中国的清华大学(Tsinghua University)提供了参考资料, 史丹佛大学(Stanford University)的研究人员也做出了贡献. 此外, 还有来自陆军研究办公室, 海军研究办公室, NSF和史丹佛大学研究生奖学金的资助.

编译: Susan Hong