显着更快的计算机内存设备的新亮点

在今天在线发表在Science Advances上的一篇文章中，来自亚利桑那州立大学分子科学学院和德国的科学家团队解释了特定的相变存储器(PCM)材料如何比当前的闪存计算机存储器快一千倍的工作速度，虽然在每日读写次数方面明显更耐用。

PCM是计算机随机存取存储器(RAM)的一种形式，其通过改变液体，玻璃和晶体状态之间的“位”(数百万构成器件)的物质状态来存储数据。PCM技术具有以前所未有的规模提供廉价，高速，高密度，大容量，非易失性存储的潜力。

基本思想和材料是由Stanford Ovshinsky在1975年发明的，但由于缺乏关于材料如何在如此短的时间尺度上执行相变以及与以必要的精度控制变化相关的技术问题的清晰度，应用已经徘徊不前。现在，三星，IBM和英特尔等高科技公司正在努力完善它。

目前研究中的半金属材料是锗，锑和碲的比例为1：2：4的合金。在这项工作中，该团队使用准弹性中子散射(QENS)探测该PCM液态的微观动力学，以寻找可能使相变变得如此尖锐和可再现的线索。

根据命令，这种PCM材料的每个微观位的结构可以在百万分之一秒的时间尺度上从玻璃变为晶体或从晶体变回玻璃(通过液体中间体)受控的热或光脉冲，前者现在是优选的。在无定形或无序相中，材料具有高电阻，“关”状态;在结晶相或有序相中，其电阻降低1,000倍或更多以达到“开”状态。

这些元件布置在激活电极之间的二维层中，激活电极可以堆叠以形成具有特别高的有效位置密度的三维阵列，使得PCM装置可以比传统闪存快许多倍地运行，同时使用更少的元件。功率。

“这种材料的无定形相可以被视为'半金属眼镜'，”当时在Regents教授Austen Angell实验室作为洪堡基金会奖学金获得者进行博士后研究的Shuai Wei解释说。

“与'金属玻璃'研究领域的战略相反，人们为了获得大块玻璃已经做了几十年的努力以减缓结晶，这里我们希望这些半金属玻璃在液体中尽可能快地结晶但是，当处于玻璃状态时，尽可能保持稳定。我认为现在我们对在研究中的PCM如何实现这一目标有了新的理解。“

偏离预期

一个多世纪以前，爱因斯坦在他的博士论文中写道，如果阻碍粒子运动的摩擦力是由斯托克斯推导出的圆形球落入一罐蜂蜜中，则可以理解粒子经历布朗运动的扩散。简单的等式：

D(扩散系数)= kBT /6πηr

其中T是温度，η是粘度，r是粒子半径，暗示产品Dη/ T应该随着T的变化而变化，令人惊讶的是，这似乎不仅适用于布朗运动，而且对于简单的分子液体，其分子运动已知除了通过蜂蜜落下的球之外的任何分子运动。

“我们没有任何好的解释，为什么它能很好地工作，即使在接近玻璃化转变温度的高粘度过冷分子液体状态下，我们也知道有一些有趣的液体甚至会严重失效高于熔点，“安杰尔说。

“其中一种是液体碲，是PCM材料的关键元素。另一种是以异常着称的水，第三种是锗，是GST型PCM的三种元素中的第二种。现在我们要添加一种第四，消费税液体本身。由于提出和帅伟和他的德国同事，慕尼黑和萨尔州大学的莫里茨斯托普科技大学的扎克·埃弗森执行由帅与皮埃尔·卢卡斯从帮助制备的样品的中子散射研究亚利桑那大学。“

这一小组液体的另一个共同特征是存在最大的液体内密度，这在水的情况下很有名。在碲化砷(As2Te3)的稳定液态中也观察到在通过金属 - 半导体转变冷却期间密切遵循的密度最大值，其是PCM的碲化锑(Sb2Te3)组分的第一代表亲。这些都位于三组分相图中连接碲化锑(Sb2Te3)和碲化锗(GeTe)的“Ovshinsky”线上。

魏和共同作者的建议是，当锗，锑和碲以1：2：4的比例混合在一起时 - 或其他沿着奥夫申斯基的“神奇”线 - 密度最大值和相关金属 - 以 - 非金属过渡被推到熔点以下，同时，过渡变得比其他硫属元素化物混合物更加尖锐。

然后，如在大量研究的过冷水情况下，与响应函数极值相关的波动应该产生极快的结晶动力学。在所有情况下，高温状态，现在是金属状态，更密集。

“这可以解释很多，”安杰尔说。“在过渡之上，液体非常流动，结晶非常迅速，而在过渡之下，液体迅速变硬并保持无定形，低导电状态，直至室温。”在纳米级“比特”中，它然后保持无限稳定，直到由计算机编程的加热脉冲指示立即上升到一个温度，在纳秒时间尺度，它闪烁结晶到导通状态，即“接通”状态。

剑桥大学的林赛·格里尔(Lindsay Greer)提出了同样的论点，就“脆弱到强”的流动过渡而言。

第二个略大的热脉冲可以瞬间将“位”置于其熔点之上，然后，在没有进一步的热输入和与冷基板紧密接触的情况下，它以足以避免结晶的速率淬火并被捕获在半导体状态，“关闭”状态。

“来自慕尼黑工业大学的中子飞行时间光谱仪的高分辨率对于了解原子运动的细节是必要的。在Garching的Heinz Maier-Leibnitz Zentrum的中子散射是使这些运动可见的理想方法，“伊文森说。

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