解决忆阻器之谜，开发高效、持久的记忆设备
根据密歇根大学最近在《Matter》杂志上发表的一项研究，相分离（即分子像油和水一样分离）与氧扩散一起起作用，帮助忆阻器（利用电阻存储信息的电子元件）即使在电源关闭后也能保留信息。到目前为止，由于模型和实验不匹配，解释还未能完全掌握忆阻器如何在没有电源的情况下保存信息，即所谓的非易失性存储器。
密歇根大学材料科学与工程博士研究生、这项研究的第一作者李静贤说：“虽然实验表明设备可以保留信息超过 10 年，但社区使用的模型表明信息只能保留几个小时。”
为了更好地理解驱动非易失性忆阻器存储器的潜在现象，研究人员专注于一种称为电阻式随机存取存储器或 RRAM 的设备，它是传统计算中使用的易失性 RAM 的替代品，这些发现对于节能人工智能应用特别有前景。
所研究的特定 RRAM 是一种丝状价变存储器 (VCM)，它将绝缘的氧化钽层夹在两个铂电极之间。当在铂电极上施加一定电压时，导电丝会形成一个穿过绝缘体到达电极的钽离子桥，从而使电流流动，使电池处于低电阻状态，代表二进制代码中的“1”。如果施加不同的电压，丝状物会溶解，因为返回的氧原子会与钽离子发生反应，使导电桥“生锈”，并返回高电阻状态，代表二进制代码“0”。
人们曾认为 RRAM 能够随着时间的推移保留信息，是因为氧气扩散回的速度太慢。然而，一系列实验表明，之前的模型忽略了相分离的作用。
“在这些装置中，氧离子倾向于远离灯丝，即使经过一段不确定的时间也不会扩散回来。这个过程类似于水和油的混合物无论我们等待多长时间都不会混合，因为它们在分离状态下的能量较低，”密歇根大学材料科学与工程助理教授、这项研究的资深作者李一阳说。
为了测试保留时间，研究人员通过提高温度来加快实验速度。250°C 下 1 小时相当于 85°C 下 100 年（这是计算机芯片的典型温度）。
研究人员利用原子力显微镜的极高分辨率成像技术，对在宽度为一微米的 RRAM 设备内形成的细丝进行了成像，这些细丝的宽度仅为约 5 纳米或 20 个原子。
李教授说：“我们很惊讶能够在设备中找到细丝。这就像大海捞针。”
研究小组发现，不同尺寸的细丝具有不同的保留行为。小于约 5 纳米的细丝会随着时间的推移而溶解，而大于 5 纳米的细丝则会随着时间的推移而变强。尺寸差异无法仅通过扩散来解释。
总之，结合热力学原理的实验结果和模型表明，导电丝的形成和稳定性取决于相分离。
研究团队利用相分离技术，将抗辐射存储芯片（一种专为承受太空探索使用的辐射暴露而制造的存储设备）的存储保留时间从一天延长至十年以上。
其他应用包括用于更节能的人工智能应用的内存计算或用于电子皮肤的存储设备——电子皮肤是一种可拉伸的电子界面，旨在模仿人类皮肤的感知能力。这种材料也被称为电子皮肤，可用于为假肢提供感官反馈，制造新的可穿戴健身追踪器或帮助机器人开发触觉感知以完成精细任务。
李说：“我们希望我们的发现能够启发利用相分离来创建信息存储设备的新方法。”
福特研究公司迪尔伯恩分校、橡树岭国家实验室、奥尔巴尼大学、NY CREATES、桑迪亚国家实验室和亚利桑那州立大学坦佩分校的研究人员参与了这项研究。该设备是在 Lurie 纳米加工设施制造的，并在密歇根材料特性中心进行了研究。
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