科学家使用氧化钽提高固态记忆技术

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科学家使用氧化钽提高固态记忆技术

上图展示了莱斯大学研发的新型存储器，是由氧化钽、多层石墨烯和铂组成层状结构，解决了导致其他设备读取错误的串扰问题。


莱斯大学科学家发明了一种固态存储技术，它可以实现高密度存储的同时将计算机错误发生率降到最低，该存储器基于氧化钽——一种电子设备中常见的绝缘体。在250纳米厚的石墨烯，钽，纳米氧化钽和铂的三明治结构上施加电压，在层与层接触的地方产生可定位的比特，控制电压可转移氧离子和空位，在1和0之间转换比特。


莱斯大学化学家James Tour实验室的发现允许存储高达162千兆比特的交叉阵列的，远高于在研的其他氧化物基存储系统。（八位等于一个字节；一个162千兆的单位将存储20千兆字节的信息。）


正如Tour实验室在此之前关于氧化硅记忆的报道，新器件每个电路只需要两个电极，比如今三电极的快闪存储器更加简单。“但这是制造超高密度，非挥发性电脑存储器的新方法，”Tour说。


非挥发性存储器即使在断电时数据也不会丢失，而挥发性随机存储器当机器关机后信息会丢失。


现代内存芯片有很多的要求：它们必须有超高的读取和存储信息的速度，要尽可能多的保存数据。它们也必须持久耐用，使用最小功率实现优异的数据存储性能。


Tour说莱斯大学的新设计比如今的设备耗能小了100倍，有潜力实现所有要求。


“这个钽存储器基于2个终端系统，所以它的所有设置为三维存储栈，”他说，“它甚至不需要二极管或选择器，使其成为构造最简单的高密度存储器之一。对于正在增加高清晰度的视频存储和服务器阵列的存储需求这将是一个真正的竞争对手。”


该层状结构包括两个铂电极及其之间的钽，纳米多孔氧化钽和多层石墨烯。在该材料制备过程中，研究人员发现氧化钽逐渐失去氧离子，从顶层的富氧到底层的贫氧。至氧完全消失，就变成纯钽金属。


研究人员确定了以下三个相关因素给予了其存储器独特的变化能力。


首先，控制电压调节电子通过边界，即从一个欧姆（双向流动）翻转至一个肖脱基触点（单向流动）并倒回来。


第二，基于氧空位的存在，边界的位置是可以变化的。这些“空位”是原本应该存在的氧离子在原子排列中留下的。电压控制的氧空位的运动使边界从钽/钽氧化物界面变化到氧化钽/石墨烯界面。“接触边界的交换引起了两级转变”，这项研究的负责人和博士后研究员，莱斯大学的Gunuk Wang这样说道。


第三，电流在流动中从氧化钽纳米孔中吸取氧离子并使其稳定。这些负电离子产生的电场像二极管一样有效地阻止错误串扰的发生。尽管研究人员已经发现了氧化钽作为存储器的潜在价值，但这样的阵列仍被限制在一个千字节，因为存储器过于密集会有比特误读的串扰问题。


石墨烯具有阻挡铂迁移到氧化钽和防止引起短路的双重作用。


Tour说氧化钽存储器是可以在室温下制造，他指出控制电压写入和重写比特是可调节的，这就允许了大范围的转换特性。


Wang说在商品化过程中还任重道远，包括制造足够密集的处理单个比特的纵横式交换矩阵设备以及控制纳米孔尺寸。材料人网