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

根據美國加州大學柏克萊分校(UC Berkeley)教授兼羅倫斯柏克萊國家實驗室(LBNL)材料科學處長張翔表示,這種途徑僅需要幾個原子,就可以將0與1當做形狀進行儲存,從而實現能夠儲存機械材質的固態記憶體,而且能夠搭配未來的原子級處理器。

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

實現這個過程的關鍵在於使用過渡金屬二硫屬化物(TMD)——在此情況下,MoTe2的原子級單層薄膜使其內部晶格結構得以透過在兩穩態之間轉移結構的電子脈衝加以改變。張翔聯手其於UC Berkeley和Berkeley國家實驗室的研究人員共同研究,在他們所使用的MoTe2薄膜例子中,兩種穩定的晶格結構是對稱的2H排列,與其相對的是1T結構。

20171227_memory_NT02P1 未來的記憶體可以採用電子注入方式,可逆地改變2D半導體的晶體結構。在兩電極之間夾層一個原子級的MoTe2薄膜單層,並以儲存電荷的離子液滴加以覆蓋。 當施加較小的電壓時,電子被注入,從而使其從對稱(2H) 結構轉變成傾斜的(1T)排列。(來源:LBNL)

柏克萊的研究人員們目前正嘗試使用各種不同的TMD作為目標材料,以實現其形變晶格結構的電子注入法,但MoTe2由於兼具可加以改變的電子和光子特性而較受青睞。研究人員的目標在於創造一個「設計薄膜」庫,可用於電腦和光學應用,包括太陽能電池板。

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的形狀改變等。

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UC Berkeley教授兼LBNL材料科學處長張翔

張翔表示,研究人員的驗證概念使用了「靜電摻雜」電子(而非原子),用於作為摻雜劑。而在以離子液體塗覆MoTe2單層之後,研究人員運用注入的電子摻雜劑以改變晶格的形狀,據稱能夠打造出毫無缺陷的材料。由此所產生的1T結構是傾斜且金屬的,使其易於與半金屬結構的2H原子晶格排列方式有所區隔。透過施加較低電壓以移除摻雜的電子,從而恢復了原始的2H結構。

美國能源部(DoE)贊助了這項研究計劃。DoE的基礎能源科學辦公室執行傳輸研究,而其能源轉換先進研究中心(Energy Conversion Frontier Research Center;EFRC)的光物質互動(Light-Material Interactions;LMI)進行光學測量。DOE EFRC和美國國家科學基金會(NSF)透過裝置設計和製造為該計劃提供支援。中國的清華大學(Tsinghua University)提供了參考資料、史丹佛大學(Stanford University)的研究人員也做出了貢獻。此外,還有來自陸軍研究辦公室、海軍研究辦公室、NSF和史丹佛大學研究生獎學金的資助。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Berkeley Builds Shape-shifting Molecular Memory,by R. Colin Johnson)