第三類存儲技術(shù)誕生,二維材料的新異質(zhì)結(jié)構(gòu)

曾經(jīng)不知道從哪聽到過一個笑話：據(jù)說“數(shù)據(jù)工程師最大的悲哀就是數(shù)據(jù)沒了，人還活著”?；蛟S沒那么夸張，卻也足以體現(xiàn)數(shù)據(jù)在互聯(lián)網(wǎng)時代的重要性，那么保存數(shù)據(jù)的手段——存儲的重要性自然也不容忽視。

目前的半導(dǎo)體電荷存儲技術(shù)主要有兩類，第一類是易失性存儲，如計算機(jī)內(nèi)存，可在幾納秒之內(nèi)寫入數(shù)據(jù)，但是掉電之后數(shù)據(jù)會立即消失。不知道讀者有沒有過東西寫了一半，突然電腦死機(jī)，恢復(fù)之后發(fā)現(xiàn)寫的東西全都沒了的經(jīng)歷U盤，需要幾毫妙到幾十毫秒才能把數(shù)據(jù)保存下來，但是寫入數(shù)據(jù)后無需額外能量可保存十年，祈禱你的U盤不會丟，那你就可以在十年之內(nèi)高枕無憂了。

這兩種存儲方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，人類的進(jìn)化過程就是集合優(yōu)點(diǎn)的過程，我們自然希望能將二者的優(yōu)點(diǎn)集成起來，發(fā)明一種存儲速度快，又不易丟失的存儲方式。值得開心的是，科學(xué)家已經(jīng)做到了。

第三類存儲技術(shù)誕生

近日，復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院教授張衛(wèi)、周鵬團(tuán)隊制成具有顛覆性的二維半導(dǎo)體“準(zhǔn)非易失存儲”原型器件，開創(chuàng)了第三類存儲技術(shù)，解決了國際半導(dǎo)體電荷存儲技術(shù)中“寫入速度”與“非易失性”難以兼得的難題。4.10日，相關(guān)工作以《用于準(zhǔn)非易失應(yīng)用的范德瓦爾斯結(jié)構(gòu)半浮柵存儲》為題在線發(fā)表于《自然·納米技術(shù)》。

10納秒寫入和按需定制

第三類存儲技術(shù)寫入速度比目前的U盤快一萬倍，數(shù)據(jù)刷新時間是內(nèi)存技術(shù)的156倍，并且擁有卓越的調(diào)控性，可以實(shí)現(xiàn)按照數(shù)據(jù)有效時間需求設(shè)計存儲器結(jié)構(gòu)。它既滿足了10納秒寫入速度，又實(shí)現(xiàn)了按需定制（10秒—10年）的可調(diào)控數(shù)據(jù)準(zhǔn)非易失特性；既可以在高速存儲中極大降低存儲功耗，還可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)有效期截止后自然消失，為一些特殊應(yīng)用場景解決了保密性和傳輸?shù)拿堋?/p>

張教授表示，利用這項(xiàng)技術(shù)，很可能實(shí)現(xiàn)移動存儲設(shè)備分享資料到期自動刪除，甚至可以實(shí)現(xiàn)存儲設(shè)備的無限容量。如果將這一技術(shù)應(yīng)用到現(xiàn)有的電腦內(nèi)存，在較高存儲速度和較長保存時間的條件下，就無需高頻刷新，這對降低能耗具有至關(guān)重要的意義。

據(jù)周鵬介紹，“這項(xiàng)研究創(chuàng)新性地選擇了多重二維材料堆疊構(gòu)成了半浮柵結(jié)構(gòu)晶體管：二硫化鉬、二硒化鎢、二硫化鉿分別用于開關(guān)電荷輸運(yùn)和儲存，氮化硼作為隧穿層，制成階梯能谷結(jié)構(gòu)的范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)。”他表示，選擇這幾種二維材料，將充分發(fā)揮二維材料的豐富能帶特性?！耙徊糠秩缤坏揽呻S手開關(guān)的門，電子易進(jìn)難出；另一部分則像以面密不透風(fēng)的墻，電子難以進(jìn)出。對‘寫入速度’與‘非易失性’的調(diào)控，就在于這兩部分的比例?！?/p>

二維材料的新異質(zhì)結(jié)構(gòu)

寫入速度比目前U盤快10000倍，數(shù)據(jù)刷新時間是內(nèi)存技術(shù)的156倍，并且擁有卓越的調(diào)控性，可以實(shí)現(xiàn)按照數(shù)據(jù)有效時間需求設(shè)計存儲器結(jié)構(gòu)……經(jīng)過測試，研究人員發(fā)現(xiàn)這種基于全二維材料的新型異質(zhì)結(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)全新的第三類存儲特性。2017年，團(tuán)隊在Small上報道了利用二維半導(dǎo)體的豐富能帶結(jié)構(gòu)特性解決電荷存儲技術(shù)中的“過擦除”現(xiàn)象。后續(xù)在存儲器研究中，團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，當(dāng)利用二維半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)新型結(jié)構(gòu)存儲后，會有更多“奇異新特性”。

據(jù)專家們介紹，二維材料發(fā)軔于石墨烯的發(fā)現(xiàn)，在平面內(nèi)存在強(qiáng)有力的化學(xué)鍵鍵合，而層與層之間則依靠分子間作用力堆疊在一起。因此，二維材料可以獲得單層的具有完美界面特性的原子級別晶體。同時它是一個兼有導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體的完整體系。這對集成電路器件進(jìn)一步微縮并提高集成度、穩(wěn)定性以及開發(fā)新型存儲器都有著巨大潛力，是降低存儲器功耗和提高集成度的嶄新途徑。所以說，科學(xué)創(chuàng)新的重要一環(huán)在于原材料的選擇。