柔性存储器技术取得突破

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wanwan (42055)发表于 2021年09月10日 20时10分 星期五
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为了让粘贴式显示器、智能绷带以及廉价柔性塑料传感器真正走入千家万户,我们必须找到某种能在塑料之上长期存储数据的方法。斯坦福大学电气工程教授 Eric Pop 表示,“在柔性电子产品这一生态系统当中,有没有存储器非常重要。”但目前的非易失性存储器如闪存并不适合。因此 Pop 和他的工程团队决定在塑料上探索一种相变存储器,他们做好了失败的准备。但结果却出乎意料——这种构建在塑料之上的记忆体拥有更好的性能。重置记忆体是此类设备的关键特征,而重置记忆体所需的能量比之前的柔性版本要低一个量级。研究人员在本周的《科学》杂志上报告了他们的发现

相变存储器(PCM)并不明显适合塑料电子产品。这项技术会将比特存储为电阻状态——在结晶相中电阻较低;但当流经设备的电流足够大时,晶体会熔化呈现出电阻更大的非晶相。这种转化过程是可逆的。更重要的是,在实验性神经形态系统当中,PCM 能存储中间能级的电阻,意味着同一设备可以存储高于 1 比特数据。遗憾的是,这项技术在塑料等柔性基材上并不能很好发挥作用。问题在于“编程电流密度(programming current density)”:具体来讲,就是需要考虑向给定区域泵送多大的电流才能将其加热至发生相变的温度。柔性塑料的表面并不平整,因此无法把使用普通塑料材质制成的 PCM 单元做得像芯片上那么小,于是只能靠更大的电流才能达到相同的转换温度。

可以把整个场景设想成把烤箱的门留个小缝,再尝试烤馅饼。烤是能烤,但需要耗费更多时间和能量。Pop 和他的同事的工作就是努力把这只烤箱的门彻底关严实。他们决定尝试一种被称为超晶格的材料。这种晶体由不同材料重复堆叠的纳米厚层制成。Junji Tominaga 以及日本筑波国立应用工业科学与技术研究所的研究人员在 2011 年报告了使用由锗、锑和碲组成的潜在超晶格成果。在研究这些超晶格之后,Pop 和他的同事得到结论,认为其应该拥有良好的隔热能力。这是因为在晶体形式下,各层之间存在着原子级的间隙。这些“范德华式间隙”既限制了电流,也限制了热量的传递。因此当电流被迫通过时,热量并不会迅速从超晶格中流失,意味着各个单元从一种相转换至另一种相时需要的能量会更少。