硒化銦的一項突破性發現能以最小的能量實現晶體到玻璃的轉變，從而徹底改變內存存儲技術。研究人員發現，這種轉變可以透過持續電流引起的機械衝擊來實現，從而繞過了高能耗的熔化和淬火過程。 這種新方法可將能耗降低十億倍，可望實現更有效率的資料儲存設備。

層狀半導體鐵電材料In2Se3 的電驅動非晶化效果圖。 中間層在載子力的作用下滑動，圖中的閃電則表示壓電引起的機械衝擊產生的電尖峰，從而使材料發生非晶化。 資料來源：Akanksha Jain

11 月6 日，研究人員在《自然》（Nature）雜誌上發表了一項突破性研究，揭示了硒化銦這種獨特的材料能以最小的能量”衝擊”自身，從晶體相轉變為玻璃相。 這種轉變過程對CD 和電腦RAM 等設備的記憶體儲存至關重要，它所需的能量比傳統上用於將晶體轉變為玻璃的熔融淬火法少十億倍。

這項研究由印度科學研究院（IISc）、賓州大學工程與應用科學學院（賓州工程學院）和麻省理工學院（麻省理工學院）的科學家組成的合作團隊參與。

玻璃的行為類似固體，但缺乏典型的原子週期性排列。 在玻璃製造過程中，先將晶體液化（熔化），然後突然冷卻（淬火），以防止玻璃變得過於有序。 這種熔化-淬火過程也用於CD、DVD 和藍光光碟中–使用雷射脈衝將晶體材料快速加熱並淬火至玻璃相，以便寫入資料；逆轉過程可能會擦除資料。 電腦使用的類似材料稱為相變RAM，根據玻璃態和晶體態所提供的電阻類型（高電阻和低電阻）來儲存資訊。

然而，問題在於這些設備非常耗電，尤其是在寫入過程中。 晶體需要加熱到超過800oC 的溫度，然後突然冷卻。 如果有辦法將晶體直接轉化為玻璃，而不需要中間的液相，那麼記憶體儲存所需的功率就會大大降低。

Pavan Nukala（右）與負責CeNSE 電子顯微鏡設施的Pradeep Kumar（左）。 偏壓奈米線的影像投射在螢幕上。 資料來源：Manjunath NS

在這項研究中，研究小組發現，當電流通過由二維鐵電材料硒化銦製成的導線時，這種材料的長段突然非晶化成玻璃。賓州大學工程系前博士生、第一作者之一高拉夫莫迪（Gaurav Modi）說：「這太不尋常了。我實際上認為我可能已經損壞了材料。通常情況下，你需要電脈衝來誘導任何形式的變形，而在這裡，持續電流破壞了晶體結構，這本來不該發生。

莫迪與賓州大學工程系材料科學與工程（MSE）斯里尼瓦薩-拉馬努揚傑出學者Ritesh Agarwal，與IISc 奈米科學與工程中心（CeNSE）助理教授Pavan Nukala 及其博士生Shubham Parate 合作，在電子顯微鏡下密切追蹤這個過程–從原子到微米的長度尺度。

“在過去幾年中，我們在IISc 開發了一套原位顯微鏡工具，”Nukala 解釋。 “當Ritesh 告訴我這個不尋常的觀察結果時，我們決定是時候對這些工具進行測試了。”

研究團隊發現，當持續電流平行通過材料的二維層時，二維層會在不同方向上相互滑動。 這就形成了許多疇（具有特定偶極矩的微小口袋），這些疇被分隔疇的缺陷區域所束縛。 當多個缺陷相交於一個小的奈米區域時，就像在牆上打了太多的洞一樣，晶體的結構完整性就會崩潰，在局部形成玻璃。

這些疇界就像構造板。 它們隨著電場移動，當相互碰撞時，就會產生類似地震的機械（和電氣）衝擊。 這種地震會引發雪崩效應，造成遠離震央的擾動，產生更多的疇界和玻璃化區域，進而引發更多的地震。 當整個材料變成玻璃（長程非晶化）時，雪崩就會停止。

第一作者之一帕拉特說：”在電子顯微鏡下看到所有這些因素在不同的長度尺度上共同發揮作用，真是令人起雞皮疙瘩。”

努卡拉指出，硒化銦的多種獨特性質–二維結構、鐵電性和壓電性–共同作用，使得這種透過衝擊實現非晶化的超低能量途徑成為可能。他補充說：”我們將把這項技術推向新的高度，在CMOS 平台上整合這些裝置。”

相變記憶體（PCM）設備尚未廣泛應用的原因之一是所需的能源。 這種進步可以開啟更廣泛的PCM 應用，從而改變從手機到電腦等設備的資料儲存。

編譯自/ ScitechDaily