美国或将实现超节能半导体技术打开设计低功耗电子设备的大门
在全球科技竞争日益激烈的背景下，节能高效的数据存储技术已经成为各国科技发展的重要目标。作为当今信息社会的核心，数据存储的技术突破能够极大地推动计算性能的提升并节省大量能源。半导体技术一直是这一领域创新的前沿，而近年来，研究人员在这一领域取得了引人注目的进展。尤其是相变存储器（PCM）技术，因其能够实现高效的数据存储，被认为是未来存储技术的有力竞争者。然而，如何降低相变过程的能耗仍然是研究人员面临的主要挑战之一。当前的解决方案往往涉及能耗巨大的热熔过程，这限制了PCM在实际应用中的大规模推广。随着世界范围内对于能源消耗和可持续发展的关注日益增加，科学家们亟需找到新的方法来解决这一难题。
近期，科学家们研发出一种新的技术，有望实现突破性的进展，为实现节能高效的相变提供了新的思路。
美国将实现节能十亿倍的半导体技术，该研究可能对中国造成挑战。研究人员发现半导体材料硒化铟可以利用电流进行非晶化，而无需耗费大量能源的熔化淬火工艺，这是数据存储研究的重大进展。
宾夕法尼亚大学、麻省理工学院 (MIT) 和印度科学研究所 (IISc) 的研究人员共同努力，使相变存储器 (PCM) 更加节能，并可能在未来引发数据存储领域的革命。
研究团队发现了一种全新的材料相变方式。他们在研究硒化铟(In2Se3)纳米线时发现,只需施加直流电场,就能让材料从晶态转变为非晶态,而且这个过程不需要经过熔融。这种转变方式被称为”固态非晶化”。电驱动的固态非晶化相对罕见，但它打开了设计低功耗电子设备的新大门。
PCM是一种很有前途的数据存储技术，它使用不同的材料相来存储信息。当材料从非晶态变为结晶态时，它们就像一个开关，很像当今用于数据存储的二进制系统。PCM可用于在手机和电脑等设备中存储信息，但影响相变是一个能源密集型的过程，这仍然是大规模部署的障碍。
在这项最新研究中，研究人员使用之前使用材料硒化铟（In2Se3）所需能量的十亿分之一实现了相变，有可能引发数据存储能力的新革命。
探索硒化铟纳米线的奇特行为
硒化铟（In2Se3）是一种具有多种多晶型的材料，其中一些表现出铁电性。研究人员通过催化剂辅助的气-液-固生长机制，合成了一种新的铁电变体β″-In2Se3纳米线。通过电子显微镜观察，他们发现这些纳米线具有独特的超结构和铁电极化特性，揭示了其复杂的内部结构和相对稳定性。
非晶化的微观机制
研究团队成员制作了一套原位显微镜工具，用于仔细分析 In2Se3 的非晶化过程。在实验中，研究人员观察施加电场后微观结构的演变。他们发现，在施加直流电流后，纳米线几乎全部变为无序的非晶状态，并伴随有典型的弥散晕圈对比。这种非晶化发生在较大的横向宽度上，与传统的局部非晶化现象截然不同。
这项发现的独特之处主要体现在以下几点：
- 低能耗：传统相变需要将材料加热到1000多度,而这种新方法只需要加热到约140度就能实现相变。
- 长程效应：转变后的非晶区域可以延伸到超过1微米,这在类似的相变材料中是非常罕见的。
- 直流驱动：使用简单的直流电场就能实现相变。
研究团队发现这种相变的实现依赖于多重物理效应的协同作用：
- 电场效应：外加电场会导致材料内部极化方向发生旋转。但旋转过程并不均匀，这导致了不均匀的压电应力和“受挫”多域极化状态的形成。这种受挫状态与滑动缺陷耦合，形成纳米级的无序区域。这些区域通过长程应变场进行复制，导致多次非晶相的成核事件。随着电场的持续作用，这些非晶核不断生长，最终切断了晶体的贯通路径。
- 电流效应：通过材料的电流会产生推动力,影响原子排列。
- 应力效应：材料在电场作用下会产生压电应力,进一步影响其结构。
这些效应共同作用,最终导致材料内部原子排列由有序变为无序,形成非晶态。
参与这项研究的印度理工学院博士生Shubham Parate说：“看到所有这些现象同时在不同长度尺度上相互作用，真是让人起鸡皮疙瘩。”
这项研究不仅揭示了一种新的材料相变机制,还为开发新一代低功耗电子存储器件提供了新思路。这种相变方式具有以下优势：
- 节能环保：相比传统方法能耗更低。
- 可控性好：转变过程可以通过简单的电压控制。
- 可靠性高：不需要经过熔融过程,减少了材料损耗。
应用前景
这项发现可能在以下领域产生重要影响：
- 存储器件：有望开发出新型低功耗存储器。
- 光电器件：可用于制作新型光电开关。
- 智能电子：为可穿戴设备等低功耗电子产品提供新的技术方案。
虽然这项研究还处于基础研究阶段,但已经展现出巨大的应用潜力。研究团队表示,下一步将致力于：
- 深入研究相变机理,优化控制方法。
- 探索更多具有类似特性的材料。
- 开发基于这种新型相变机制的实用器件。
这项研究展示了材料科学领域的又一重要突破,为未来发展更高效的电子器件开辟了新途径。它告诉我们,在纳米尺度上,材料可能展现出许多意想不到的新特性,这些特性可能为解决当前技术难题提供全新的解决方案。
