研究人员的一个偶然发现可能会大大降低下一代存储技术所需的能量 。
科学家们可能意外地克服了下一代数据存储技术顺利采用的一个主要障碍 。
研究人员说 ， 他们使用一种叫做硒化铟（In2Se3）的独特材料 ， 发现了一种技术 ， 可以将相变存储器（PCM）的能量需求降低10亿倍 。 相变存储器是一种能够在没有恒定电源的情况下存储数据的技术 。
研究人员在11月6日发表在《自然》杂志上的一项研究中说 ， 这一突破是克服PCM数据存储最大挑战之一的一步 ， 可能为低功耗存储设备和电子产品铺平道路 。
PCM是通用存储器的主要候选者——计算存储器 ， 可以取代随机存取存储器（RAM）等短期存储器和固态驱动器（SSD）或硬盘驱动器等存储设备 。 RAM速度很快 ， 但需要大量的物理空间和恒定的电源才能运行 ， 而SSD或硬盘驱动器密度更大 ， 可以在计算机关闭时存储数据 。 通用内存结合了两者的优点 。
它通过在两种状态之间切换材料来工作：晶体 ， 原子整齐排列；非晶体 ， 原子随机排列 。 这些状态与二进制1和0相关 ， 通过状态开关对数据进行编码 。
然而 ， 用于切换这些状态的“熔体淬火技术” —— 包括加热和快速冷却PCM材料 —— 需要大量的能源 ， 这使得该技术昂贵且难以规模化 。 在他们的研究中 ， 研究人员发现了一种完全绕过熔融淬火过程的方法 ， 即通过电荷诱导非晶化 。 这大大降低了PCM的能源需求 ， 并有可能为更广泛的商业应用打开大门 。
该研究的作者、宾夕法尼亚大学工程学院材料科学与工程教授里泰什·阿加瓦尔在一份声明中说：“相变存储设备没有得到广泛应用的原因之一是它所需要的能量 。 ”他说 ， 这些发现在设计低功耗存储设备方面的潜力是“巨大的” 。
研究人员的发现取决于硒化铟的独特性质 ， 硒化铟是一种具有“铁电”和“压电”特性的半导体材料 。 铁电材料可以自发极化 ， 这意味着它们可以在不需要外部电荷的情况下产生内部电场 。 相比之下 ， 压电材料在暴露于电荷中时会发生物理变形 。
在测试这种材料时 ， 研究人员观察到 ， 当它们暴露在持续电流中时 ， 它的部分会非晶化 。 而且 ， 这完全是偶然发生的 。
“我真的以为我可能损坏了电线 ， ”研究报告的合著者、宾夕法尼亚大学工程学院材料科学与工程专业的前博士生高拉夫·莫迪在声明中说 。 “通常情况下 ， 你需要电脉冲来诱导任何形式的非晶化 ， 而在这里 ， 持续的电流破坏了晶体结构 ， 这是不应该发生的 。 ”
进一步的分析揭示了由半导体的特性引发的连锁反应 。 这始于电流引起的材料微小变形 ， 引发“声波震动” —— 一种类似于地震期间地震活动的声波 。 然后 ， 这种能量在材料中传播 ， 在微米尺度的区域上扩散非晶化 ， 研究人员将这种机制比作雪崩积聚动量 。
研究人员解释说 ， 硒化铟的各种特性 —— 包括它的二维结构、铁电性和压电性 —— 共同作用 ， 实现了由冲击触发的超低能量非晶化途径 。 他们在研究中写道 ， 这可能为未来围绕“低功耗电子和光子应用的新材料和设备”的研究奠定基础 。
阿加瓦尔在声明中说：“当所有这些特性结合在一起时 ， 这为材料的结构转变开辟了一个新的领域 。 ”
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