將0與1當(dāng)做形狀進(jìn)行儲(chǔ)存，可搭配原子級(jí)處理器

美國(guó)加州大學(xué)柏克萊分校與國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員正著手打造一種分子大小的形變記憶體技術(shù)，它只需要幾個(gè)原子，就可以將0與1當(dāng)做形狀進(jìn)行儲(chǔ)存，而且能搭配未來(lái)的原子級(jí)處理器…

隨著互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)接近原子級(jí)，一種分子大小的形變(shape-changing)記憶體技術(shù)正日趨完善，從而可逆地改變二碲化鉬(MoTe2)的晶格結(jié)構(gòu)。

根據(jù)美國(guó)加州大學(xué)柏克萊分校(UC Berkeley)教授兼羅倫斯柏克萊國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LBNL)材料科學(xué)處長(zhǎng)張翔表示，這種途徑僅需要幾個(gè)原子，就可以將0與1當(dāng)做形狀進(jìn)行儲(chǔ)存，從而實(shí)現(xiàn)能夠儲(chǔ)存機(jī)械材質(zhì)的固態(tài)記憶體，而且能夠搭配未來(lái)的原子級(jí)處理器。

該技術(shù)使用電子注入方式——而非依電荷、自旋或任何短暫數(shù)量來(lái)編碼記憶體，而能夠在可逆的過(guò)程中改變MoTe2的晶格結(jié)構(gòu)。根據(jù)張翔解釋，透過(guò)電刺激重新安排原子結(jié)構(gòu)，改變了材料的特性，從而能使用較轉(zhuǎn)移化學(xué)特性所需的更少能量來(lái)形成與感應(yīng)0與1，或是像在相變(phase-change)記憶體中一樣以熱感應(yīng)躍遷。

實(shí)現(xiàn)這個(gè)過(guò)程的關(guān)鍵在于使用過(guò)渡金屬二硫?qū)倩?TMD)——在此情況下，MoTe2的原子級(jí)單層薄膜使其內(nèi)部晶格結(jié)構(gòu)得以透過(guò)在兩穩(wěn)態(tài)之間轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)的電子脈沖加以改變。張翔聯(lián)手其于UC Berkeley和Berkeley國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員共同研究，在他們所使用的MoTe2薄膜例子中，兩種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的2H排列，與其相對(duì)的是1T結(jié)構(gòu)。

未來(lái)的記憶體可以采用電子注入方式，可逆地改變2D半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)。在兩電極之間夾層一個(gè)原子級(jí)的MoTe2薄膜單層，并以儲(chǔ)存電荷的離子液滴加以覆蓋。 當(dāng)施加較小的電壓時(shí)，電子被注入，從而使其從對(duì)稱(2H) 結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成傾斜的(1T)排列。

柏克萊的研究人員們目前正嘗試使用各種不同的TMD作為目標(biāo)材料，以實(shí)現(xiàn)其形變晶格結(jié)構(gòu)的電子注入法，但MoTe2由于兼具可加以改變的電子和光子特性而較受青睞。研究人員的目標(biāo)在于創(chuàng)造一個(gè)“設(shè)計(jì)薄膜”庫(kù)，可用于電腦和光學(xué)應(yīng)用，包括太陽(yáng)能電池板。

在2D、單層TMD薄膜中，能以電子方式改變電和光的特性，包括電阻、自旋傳輸，以及Berkeley研究方法所使用與相位有關(guān)的形狀改變等。

張翔表示，研究人員的驗(yàn)證概念使用了“靜電摻雜”電子(而非原子)，用于作為摻雜劑。而在以離子液體涂覆MoTe2單層之后，研究人員運(yùn)用注入的電子摻雜劑以改變晶格的形狀，據(jù)稱能夠打造出毫無(wú)缺陷的材料。由此所產(chǎn)生的1T結(jié)構(gòu)是傾斜且金屬的，使其易于與半金屬結(jié)構(gòu)的2H原子晶格排列方式有所區(qū)隔。透過(guò)施加較低電壓以移除摻雜的電子，從而恢復(fù)了原始的2H結(jié)構(gòu)。

美國(guó)能源部(DoE)贊助了這項(xiàng)研究計(jì)劃。DoE的基礎(chǔ)能源科學(xué)辦公室執(zhí)行傳輸研究，而其能源轉(zhuǎn)換先進(jìn)研究中心(Energy Conversion Frontier Research Center;EFRC)的光物質(zhì)互動(dòng)(Light-Material Interactions;LMI)進(jìn)行光學(xué)測(cè)量。DOE EFRC和美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF)透過(guò)裝置設(shè)計(jì)和制造為該計(jì)劃提供支援。中國(guó)的清華大學(xué)(Tsinghua University)提供了參考資料、史丹佛大學(xué)(Stanford University)的研究人員也做出了貢獻(xiàn)。此外，還有來(lái)自陸軍研究辦公室、海軍研究辦公室、NSF和史丹佛大學(xué)研究生獎(jiǎng)學(xué)金的資助。