请选择 进入手机版 | 继续访问电脑版
 找回密码
 立即注册
戴客 首页 科技资讯 科技前沿 新材料 查看内容

MIT 新研究引领超低功耗微芯片发展,有望为下一代存储器奠定基础

北极蚊子 2018-11-16 17:24

11 月 12 日,材料科学和工程教授、麻省理工材料研究实验室副主任 Geoffrey Beach、研究生 Aik Jun Tan 和 8 位来自麻省理工和布鲁克海文国家实验室的研究人员在《自然·材料》杂志上发文宣布,他们可以通过施加一个弱电压来实现对薄层材料的磁特性控制,而外部磁场消失后,无需任何能源,材料的磁场方向仍然可以维持。

图丨氢离子(红点)在电压控制下穿过中间层材料,改变相邻磁层(绿色部分)的磁特性(来源:MIT)

这听起来有些拗口,但这一突破有望改变目前商用存储材料必须加电维持的现状,将显著降低存储、计算和传感器件的功耗。

从电荷到自旋

提高硅基微芯片性能并降低其功耗的努力正在受到物理极限的显著阻碍,因此研究人员正在尝试各种新技术来突破限制。其中一个有希望的研究方向被称为“自旋电子学”,即利用电子自旋而不是电荷来存储信息。

自旋电子器件可以在无需外加供电的情况下维持自己的磁特性,而硅存储芯片无法做到这一点,因此自旋电子器件功耗和散热都很低——后者也是困扰今天电子器件的问题之一。

然而,自旋电子技术同样面临诸多问题,其中最大的问题之一在于:如何简便而快速地用外加电场控制材料的磁特性?世界上的多个研究组正在为解决该问题而努力。

之前的研究聚焦于通过类似于电容的材料微结构,让电子在金属磁介质材料和绝缘材料的界面之间汇聚。汇聚的电荷确实可以改变材料的磁特性,但程度非常小,没有实用价值。另一个研究方向是用离子而不是电子来改变材料的磁特性。例如,氧离子可以被用来氧化一个磁材料薄层,极大改变其磁特性。然而,氧离子与材料的相互作用将破坏材料微观结构,读写不了几次之后材料就无法继续使用,因此也无法实用化。

本次发表的论文提出了一种新方法:使用氢离子而非体积更大的氧离子来改变材料磁特性。由于氢离子很容易渗入材料,这种方法不仅速度快,而且不会损害材料的结构。目前实验中,材料经过 2000 次读写仍然完好无损。此外,小体积的氢离子可以渗入到磁材料的更深层,对其特性进行控制,而其他方法无法做到这一点。

Tan 表示,把氢离子注入磁性材料,就可以通过施加电压改变磁场方向,且这个过程完全可逆。由于磁场方向记录了信息,这意味着自旋电子器件可以通过此方法轻易写入和擦除信息。

Beach 曾领导团队在数年前提出了通过氧离子改变材料磁特性的方法,该研究在当时激发了一股“磁离子学”的研究浪潮。今天,最新的发现是这个研究领域“结束的开始”。

未参与此项研究的明尼苏达大学化学工程和材料科学系麦克奈特杰出教授 Chris Leighton 表示,此项研究称得上是该领域的一个突破。世界范围内的研究团队都在寻找用电压来控制材料磁特性的简单方法,而该研究的成果不仅有显著的学术价值,潜在应用价值也不可估量,因为磁性材料是处理和存储信息的基础。

根据 Leighton 的评论,用氢离子注入的方法控制磁特性不算新点子,但是在固态器件上以电压控制的方式实现该点子是一个惊人的成就,有望为后继研究开辟道路。事实上,控制材料特性的简单方法一直是材料领域研究人员的梦想。起效快速、寿命超长的技术,堪称该领域的完美之作。

Beach 认为,他和他的团队“在用类似于三极管的方式来制造磁存储器件”,这种方法可以重复擦写信息而不破坏材料结构。

水蒸气导致的发现

本次的发现至少在某种意义上归功于机缘巧合。在一次尝试控制多层磁材料特性的实验中,Tan 发现自己的实验结果在不同的日期居然变化很大。他排除所有其他可能之后,最终确定:空气中的湿度越高,实验结果越好。他进一步意识到,空气中的水分子在材料表面被分解为氢原子和氧原子,氧原子随后逸散,而氢原子成为氢离子,渗透进入了材料深层,并改变了其特性。

团队推出的材料为多层三明治夹心结构,包括磁性钴层,而钴层又被钯或铂金属层、钆氧化物层和用来导电的黄金层包裹。

只要对该材料短暂施加电压,就可以改变其磁特性,掉电之后磁特性不会改变。要擦除信息,则只要将材料两端短路即可。而传统存储芯片必须持续供电才能维持信息,这是新材料能降低功耗的根本原因。

新器件以其低功耗和高擦写速度有望在未来成为移动智能设备的首选,但是实用化还有很多工作要做。

Beach 表示,实验室原型有望于数年内问世,但商业化的存储芯片可能要更长时间。

文章点评