新型存儲(chǔ)設(shè)計(jì)方案出爐,耐受高溫,助力人類登陸火星

研究人員們正在處理探測(cè)站中安裝的存儲(chǔ)設(shè)備，由左至右分別為Houqiang Fu、Yuji Zhao以及Kai Fu。

在水星荒涼而布滿隕石坑的表面上，其日間溫度可高達(dá)430攝氏度。而在距離太陽(yáng)更遠(yuǎn)一些(為水星距日長(zhǎng)度近兩倍)的金星上，由于富含二氧化碳?xì)怏w，表面溫度更是高達(dá)約462攝氏度。

亞利桑那州立大學(xué)材料科學(xué)家Yuji Zhao表示，“這意味著送往那里的一切設(shè)備，都必須能夠承受這么高的工作溫度?！逼渲邪ǜ黝悆x器、傳感器以及探測(cè)設(shè)備中的電子系統(tǒng)。雖然到目前為止人類還沒(méi)有在水星表面部署任何長(zhǎng)期探測(cè)裝置，不過(guò)1982年曾有一臺(tái)降落在金星上的探測(cè)器保持著最長(zhǎng)運(yùn)作紀(jì)錄——蘇聯(lián)的威尼拉13號(hào)探測(cè)器，但其幸存時(shí)間也只有短短127分鐘。(相比之下，好奇號(hào)火星車于2012年正式登陸火星，且直到目前仍在正常工作。)

為了開(kāi)發(fā)出能夠承受高溫環(huán)境的下一代電子產(chǎn)品，Zhao和他的團(tuán)隊(duì)最近在IEEE《電子設(shè)備器件快報(bào)》中發(fā)表文章，披露了一種能夠在25到300攝氏度溫度區(qū)間內(nèi)正常工作的氮化鎵存儲(chǔ)器件。此項(xiàng)研究由美國(guó)宇航局勢(shì)操作溫度技術(shù)(簡(jiǎn)稱HOTTech)計(jì)劃資助，用于支持未來(lái)面向水星及金星開(kāi)展的探測(cè)任務(wù)。

Zhao介紹稱，“這里空無(wú)一人，而且目前還沒(méi)有任何技術(shù)能夠持續(xù)經(jīng)受這種高溫的考驗(yàn)?！?/p>

由于氮化鎵具有較大的帶隙，因此也就成為高溫電子學(xué)的理想研究方向。傳統(tǒng)硅芯片的帶隙僅為1.12 eV。這意味著只要升高非常有限的溫度，硅元素中的電子就很容易受到激發(fā)并由價(jià)帶轉(zhuǎn)換為導(dǎo)帶。Zhao解釋稱，“結(jié)果就是，我們將無(wú)法繼續(xù)控制載波，設(shè)備也會(huì)相應(yīng)發(fā)生故障?！毕啾戎拢壍膸稙?.4 eV，這意味著設(shè)備能夠在發(fā)生電子紊亂之前承受更高的溫度。當(dāng)然，氮化鎵并不是唯一一種具有高帶隙的半導(dǎo)體材料;在這一高溫電子學(xué)探索當(dāng)中，美國(guó)宇航局還通過(guò)HOTTech計(jì)劃投資于另一種競(jìng)爭(zhēng)性材料，碳化硅。

在制造過(guò)程中，研究人員利用化學(xué)氣相沉積法在氮化鎵襯底之上添加存儲(chǔ)器件。Zhao解釋稱，設(shè)備性能的關(guān)鍵在于制造流程中的蝕刻與再生過(guò)程。在沉積多層氮化鎵之后，需要用等離子體蝕刻掉其中一部分區(qū)域，而后再進(jìn)行沉積再生。Zhao指出，這就產(chǎn)生出一個(gè)接口層，其中包含大量缺少氮原子的空位?！敖涌趯訉?duì)于存儲(chǔ)效應(yīng)至關(guān)重要。”研究人員們認(rèn)為，氮空位將負(fù)責(zé)捕獲及釋放電子，從而在器件中產(chǎn)生高阻態(tài)與低阻態(tài)——二者將分別對(duì)應(yīng)二進(jìn)制中的0與1。

在室溫條件下，該裝置顯示出穩(wěn)定的阻態(tài)轉(zhuǎn)換能力。經(jīng)過(guò)多達(dá)1000次循環(huán)的測(cè)試之后，其0與1的狀態(tài)轉(zhuǎn)換能力幾乎沒(méi)有任何衰減。在此之后，研究人員在高達(dá)300攝氏度的高溫環(huán)境中對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試，該設(shè)備繼續(xù)以穩(wěn)定的狀態(tài)完成了另外一千次0到1狀態(tài)轉(zhuǎn)換周期。雖然在高于350攝氏度的條件下，該設(shè)備失去了存儲(chǔ)效應(yīng)，但在將其恢復(fù)至室溫條件后，性能得以再次恢復(fù)。Zhao解釋道，“這種設(shè)備實(shí)際上非常穩(wěn)健?！?/p>

當(dāng)然，具體結(jié)果還需要進(jìn)一步評(píng)估：Zhao和他的團(tuán)隊(duì)正在測(cè)試該設(shè)備的另一套版本，旨在確保其能夠在高達(dá)500攝氏度的環(huán)境中正常運(yùn)行，且具備長(zhǎng)期穩(wěn)定性。另外，該團(tuán)隊(duì)還在調(diào)查氮空位對(duì)于設(shè)備性能的影響。Zhao表示，一旦美國(guó)宇航局對(duì)原型設(shè)計(jì)結(jié)果感到滿意，接下來(lái)就是在受控室內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，用以模擬位于水星及金星的美國(guó)宇航局設(shè)施內(nèi)的真實(shí)惡劣環(huán)境。他最后總結(jié)道，“必須承認(rèn)，還得經(jīng)過(guò)幾年時(shí)間，這套方案才會(huì)真正成熟。不過(guò)目前的初步結(jié)果無(wú)疑足以令人感到鼓舞與興奮?！?/p>