革命性发现：硒化铟晶体到玻璃的转变，能耗降低十亿倍 -山东化工网

革命性发现：硒化铟晶体到玻璃的转变，能耗降低十亿倍

文章来源：贤集网更新时间：2024-11-11 15:42:49

11 月 6 日，由印度科学研究院（IISc）、宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院（宾夕法尼亚工程学院）和麻省理工学院（麻省理工学院）等科研机构的科学家组成的合作团队，在《自然》（Nature）杂志上发表了一项关于硒化铟的突破性研究。研究发现，硒化铟能够以一种极为独特的方式实现从晶体相到玻璃相的转变，且这一转变过程所需的能量相较于传统用于将晶体转变为玻璃的熔融淬火法少十亿倍，这无疑是一个令人瞩目的发现。

在研究过程中，科学家们发现当电流通过由二维铁电材料硒化铟制成的导线时，这种材料的长段会突然非晶化成玻璃。这一现象与传统认知大相径庭，通常情况下，人们认为需要电脉冲来诱导材料的变形，而此次实验中，持续电流竟然破坏了晶体结构，实现了非晶化转变。

研究小组进一步深入探究这一过程，发现当持续电流平行通过材料的二维层时，二维层会在不同方向上相互滑动，从而形成许多具有特定偶极矩的微小区域，即畴。这些畴被分隔畴的辅助区域所束缚，当多个缺陷相交于一个小的纳米区域时，就如同在墙上打了过多的洞，致使晶体的结构完整性崩溃，进而在局部形成玻璃。

这些畴界会随着电场移动，当它们相互碰撞时，会产生类似地震的机械（和电气）冲击，这种冲击会引发雪崩效应，造成远离震中的扰动，产生更多的畴界和玻璃化区域，进而引发更多的类似冲击。当整个材料最终变成玻璃（长程非晶化）时，雪崩效应才会停止。

硒化铟之所以能够实现这种通过冲击达成的非晶化超低能量途径，得益于其多种独特性质的共同作用，包括二维结构、铁电性和压电性等。

一、传统内存存储技术的能耗困境

在内存存储领域，传统技术长期以来面临着能耗方面的严峻挑战。以随机访问内存（RAM）为例，它作为计算机系统中用于临时保存数据的关键存储形式，能够快速读取和写入服务器信息，有力地支撑了计算机的高效运行。然而，当计算机系统关闭时，其存储的数据会丢失，这也凸显了它作为临时存储器的特性。RAM 采用插件式模块结构，可直接与计算机主板上的插槽相连，实现便捷的快速读取和写入操作，并且能根据数据存储需求的变化随时进行添加或更换。

在众多内存存储技术中，相变存储器（PCM）占据着重要地位。在目前广泛应用的相变存储器中，数据的写入和擦除过程是通过交替变化来实现的，从而为用户提供编程信息更新和存取功能。具体而言，是将热量施加给相变存储器本身，以此触发其进入一种脆性相变过程，在此过程中，大约有 50% 的动量会对相变存储器产生影响。

然而，这种传统的相变存储器存在一个显著的问题，那就是能耗过高。无论是在写入还是擦除数据的过程中，都需要消耗大量的能量。尤其是在写入过程中，晶体需要被加热到超过 800°C 的高温，然后再突然冷却，这一熔化 - 淬火过程极为耗能。类似的情况也出现在 CD、DVD 和蓝光光盘等存储设备中，它们同样是使用激光脉冲将晶体材料快速加热并淬火至玻璃相来实现数据写入，而逆转过程则可能擦除数据。

这种高能耗的存储方式不仅增加了设备的运行成本，还会产生大量的热量，对设备的稳定运行带来诸多不利影响，如散热问题可能导致设备性能下降甚至出现故障。因此，寻找一种能够降低能耗的新型存储技术，成为了科研人员亟待攻克的重要课题。

二、硒化铟转变机制与新型存储器的潜力

深入研究硒化铟从晶体到玻璃的转变机制，对于理解其在内存存储领域的应用潜力至关重要。

在实验观察中，科学家们发现当在纳米尺度下有较大电流经过硒化铟时，其表面和体积都会发生变化，这种变化呈现出类似雪崩的特征，因此被称之为 “雪崩效应”。虽然最初对于造成雪崩效应的具体原因并不清晰，但经过后续研究推测，可能与极化、压电或者铁电等现象有关。

进一步研究还发现，在样品发生雪崩效应时，表面上会表现得如同电极极性翻转那样。而铁电性质能够使存储单元具备永久极性，对于硒化�In 这种非晶态材料来说，其表现出的类似铁电的特性使其极有可能成为一种新型的非易失性存储器。

基于硒化铟的这些特性，科研人员提出了一些关于如何利用其实现更低能耗存储的设想。一种可能性是将硒化铟原料作为通用 “软开关” 并与现代 CMOS 系统搭配使用。就像 “相变存储技术之父” 斯坦福大学教授兰迪・卡德尔（Randy K. Kadel）所展望的那样，可以将硒化铟作为其他相变材料纳米片，使其与现代 CMOS 系统、三维设计等传输相结合，从而应用于数据存储硬件上。

此外，科学家们还提出构建全新的数据存储架构，即将二进制数据信息映射到硒化铟像素极性中，然后利用可操作 CMOS 技术将其作为一些数据位，以此实现尽可能高效的元件设计。尽管目前这些设想还处于绘图设计阶段，尚未完全实现，但无疑为未来硒化铟在内存存储领域的应用指明了方向。

三、硒化铟在内存存储应用中的优势与展望

若将硒化铟应用于不同的内存存储产品中，有望带来诸多显著优势，为内存存储技术的发展开辟新的道路。

首先，硒化铟作为内存代表应用时，能够实现高效节能。每个内存单元都可通过电流通过来实现无时间延迟的状态转变，从而快速改变开关状态，使得数据能够更迅速地被读取和快照更新。相较于传统的 FAT 等内存格式，其数据编程时间长且需要大量电能，硒化铟在这方面无疑展现出了突出的优势。

从长远来看，当研究人员进一步掌握如何利用硒化铟的新发现进行组合或者开发新型材料以实现最佳性能时，常规存储虽仍会占据一定市场份额，但硒化铟的应用有望使存储效率得到显著提升。例如，通过使用不同余量等来识别不同状态，可能会进一步提高存储效率。

在目前广泛使用的相变存储器中，每次写入和擦除操作都伴随着一定的能耗消耗，为了实现最佳利益，需要充分利用信息编程和解读速率最大化功能，确保不丢失任何信息且避免重复编程。而硒化铟的出现，为解决这一问题提供了新的思路和可能性。

随着科技的不断进步，硒化铟的这一革命性发现有望推动内存存储技术实现重大变革，从手机到手机等各类电子设备的数据存储方式都可能因此而发生改变。未来，我们有理由期待硒化铟在内存存储领域的广泛应用，实现更低能耗、更高效率的数据存储，为数字化时代的发展提供更强劲的支撑。

硒化铟晶体到玻璃的转变这一突破性发现，以其能耗降低十亿倍的巨大优势，为内存存储技术带来了前所未有的机遇。通过深入研究其特性、转变机制以及应用潜力，我们看到了硒化铟在未来内存存储领域的广阔前景。相信在科研人员的不断努力下，这一新型存储技术将逐步走向成熟，为电子设备的发展注入新的活力，开启内存存储技术的新篇章。

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