节能雪崩非晶化技术的进步可能会彻底改变数据存储

Josiah02

玻璃等非晶态固体的原子没有有序结构；它们随机排列，就像海滩上散落的沙粒一样。通常，将材料变成非晶态（这一过程称为非晶化）需要大量能量。
最常见的技术是熔融淬火工艺，该工艺包括加热材料直至其液化，然后快速冷却，这样原子就没有时间在晶格中排序。
现在，宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院 (Penn Engineering)、印度科学研究所 (IISc) 和麻省理工学院 (MIT) 的研究人员开发出了一种新方法，用于对至少一种材料（由硒化铟或In2Se3制成的线）进行非晶化，所需功率密度仅降低十亿倍，这一结果发表在《自然》杂志的一篇论文中。
这一进步将为相变存储器（PCM）带来更广泛的应用。PCM 是一种很有前途的存储技术，可以改变从手机到计算机等设备中的数据存储。
在 PCM 中，信息是通过在非晶态和晶态之间切换材料来存储的，其功能类似于开/关开关。然而，大规模商业化受到实现这些转换所需的高功率的限制。
“相变存储设备尚未得到广泛应用的原因之一是所需的能量，”宾夕法尼亚大学工程学院材料科学与工程 (MSE) 的 Srinivasa Ramanujan 杰出学者和教授、该论文的资深作者之一 Ritesh Agarwal 说。
2012 年，Agarwal 团队发现电脉冲可以使锗、锑和碲合金非晶化，而无需熔化材料。此后十多年来，Agarwal 团队一直在研究熔化淬火工艺的替代方法。
几年前，作为这些努力的一部分，新论文的第一作者之一、当时还是宾夕法尼亚大学工程系硕士生的 Gaurav Modi 开始对硒化铟进行实验，这种半导体具有几种不寻常的特性：它是铁电性的，这意味着它可以自发极化，并且是压电性的，这意味着机械应力会使它产生电荷，反之亦然，电荷会使材料变形。
莫迪偶然发现了这种新方法。当时他正在给 In 2 Se 3导线通电流，导线突然停止导电。仔细检查后发现，导线的长段已经非晶化。
“这太不寻常了，”莫迪说。“我当时真的以为我可能损坏了电线。通常情况下，你需要电脉冲来引发任何类型的非晶化，而这里连续的电流已经破坏了晶体结构，这是不应该发生的。”
解开这个谜团花了三年多的时间。Agarwal 将电线样品寄给了他以前的一名研究生 Pavan Nukala，他现在是印度理工学院的助理教授，也是该校纳米科学与工程中心 (CeNSE) 的成员，也是该论文的另一位资深作者。
“过去几年，我们在印度理工学院开发了一套原位显微镜工具。现在是时候对它们进行测试了——我们必须非常非常仔细地观察才能理解这个过程，”努卡拉说。
“我们了解到，In 2 Se 3的多种特性——二维特性、铁电性和压电性——结合在一起，设计出了这种通过冲击实现非晶化​​的超低能量途径。”
最终，研究人员发现，这一过程既像雪崩，又像地震。起初，In 2 Se 3导线中的微小部分（以十亿分之一米为单位）在电流的作用下开始非晶化。
由于电线的压电特性和分层结构，电流会将这些层的某些部分推到不稳定的位置，就像山顶上积雪的细微移动一样。
当达到临界点时，这种运动会引发整个导线的快速变形。变形区域发生碰撞，产生穿过材料的声波，类似于地震期间地震波穿过地壳的方式。
这种声波在技术上被称为“声学冲击”，它会引起额外的变形，将无数个小的无定形区域连接成一个以微米为单位的单一区域——比原来的区域大数千倍——就像一场雪崩在山坡上积聚动量一样。
“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，”印度理工学院博士生、论文共同第一作者 Shubham Parate 说。
为了解这一过程而开展的合作为未来的发现奠定了肥沃的土壤。“这为研究当所有这些特性结合在一起时材料中可能发生的结构变化开辟了一个新领域。这些发现对于设计低功耗存储设备具有巨大的潜力，”Agarwal 说。