可将能耗降低十亿倍的"晶体-玻璃"相变转换技术

层状半导体铁电材料 In2Se3 的电驱动非晶化效果图。 中间层在载流子力的作用下滑动，图中的闪电则表示压电引起的机械冲击产生的电尖峰，从而使材料发生非晶化。 资料来源：Akanksha Jain

11 月 6 日，研究人员在《自然》（Nature）杂志上发表了一项突破性研究，揭示了硒化铟这种独特的材料能以最小的能量"冲击"自身，从晶体相转变为玻璃相。 这种转变过程对 CD 和计算机 RAM 等设备的内存存储至关重要，它所需的能量比传统上用于将晶体转变为玻璃的熔融淬火法少十亿倍。

这项研究由印度科学研究院（IISc）、宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院（宾夕法尼亚工程学院）和麻省理工学院（麻省理工学院）的科学家组成的合作团队参与。

玻璃的行为类似于固体，但缺乏典型的原子周期性排列。 在玻璃制造过程中，先将晶体液化（熔化），然后突然冷却（淬火），以防止玻璃变得过于有序。 这种熔化-淬火过程也用于 CD、DVD 和蓝光光盘中--使用激光脉冲将晶体材料快速加热并淬火至玻璃相，以便写入数据；逆转过程可能会擦除数据。 计算机使用的类似材料被称为相变 RAM，根据玻璃态和晶体态所提供的电阻类型（高电阻和低电阻）来存储信息。

然而，问题在于这些设备非常耗电，尤其是在写入过程中。 晶体需要加热到超过 800oC 的温度，然后突然冷却。 如果有办法将晶体直接转化为玻璃，而不需要中间的液相，那么内存存储所需的功率就会大大降低。

Pavan Nukala（右）与负责 CeNSE 电子显微镜设施的 Pradeep Kumar（左）。 偏压纳米线的图像投射在屏幕上。 资料来源：Manjunath NS

在这项研究中，研究小组发现，当电流通过由二维铁电材料硒化铟制成的导线时，这种材料的长段突然非晶化成玻璃。宾夕法尼亚大学工程系前博士生、第一作者之一高拉夫-莫迪（Gaurav Modi）说："这太不寻常了。我实际上认为我可能已经损坏了材料。 通常情况下，你需要电脉冲来诱导任何形式的变形，而在这里，持续电流破坏了晶体结构，这本不该发生。"

莫迪和宾夕法尼亚大学工程系材料科学与工程（MSE）斯里尼瓦萨-拉马努扬杰出学者 Ritesh Agarwal，与 IISc 纳米科学与工程中心（CeNSE）助理教授 Pavan Nukala 及其博士生 Shubham Parate 合作，在电子显微镜下密切跟踪这一过程--从原子到微米的长度尺度。

"过去几年中，我们在 IISc 开发了一套原位显微镜工具，"Nukala 解释说。"当 Ritesh 告诉我这个不寻常的观察结果时，我们决定是时候对这些工具进行测试了。"

研究小组发现，当持续电流平行通过材料的二维层时，二维层会在不同方向上相互滑动。 这就形成了许多畴（具有特定偶极矩的微小口袋），这些畴被分隔畴的缺陷区域所束缚。 当多个缺陷相交于一个小的纳米区域时，就像在墙上打了太多的洞一样，晶体的结构完整性就会崩溃，在局部形成玻璃。

这些畴界就像构造板。 它们随着电场移动，当相互碰撞时，就会产生类似地震的机械（和电气）冲击。 这种地震会引发雪崩效应，造成远离震中的扰动，产生更多的畴界和玻璃化区域，进而引发更多的地震。 当整个材料变成玻璃（长程非晶化）时，雪崩就会停止。

第一作者之一帕拉特说："在电子显微镜下看到所有这些因素在不同的长度尺度上共同发挥作用，真是令人起鸡皮疙瘩。"

努卡拉指出，硒化铟的多种独特性质--二维结构、铁电性和压电性--共同作用，使得这种通过冲击实现非晶化的超低能量途径成为可能。他补充说："我们将把这一技术推向新的高度，在 CMOS 平台上集成这些器件。"

相变存储器（PCM）设备尚未得到广泛应用的原因之一是所需的能源。 这种进步可以开启更广泛的 PCM 应用，从而改变从手机到电脑等设备的数据存储。

编译自/ScitechDaily