破解數(shù)據(jù)存儲(chǔ)難題，復(fù)旦學(xué)者開創(chuàng)第三類存儲(chǔ)技術(shù) | 中國發(fā)現(xiàn)
? 研究者工作的實(shí)驗(yàn)室一角，圖片來自王玥
撰文 | 沁 園
責(zé)編 | 惠家明
● ● ●
當(dāng)今的電子產(chǎn)品想要存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，無非是通過兩類途徑：第一類是易失性存儲(chǔ)，例如計(jì)算機(jī)的內(nèi)存，掉電后數(shù)據(jù)會(huì)立即消失；第二類是非易失性存儲(chǔ)，比如人們常用的U盤，在寫入數(shù)據(jù)后無需額外能量可保存信息10年。
然而，這兩類存儲(chǔ)技術(shù)各有各的問題。易失性存儲(chǔ)速度快，但是保存期限短。非易失性存儲(chǔ)雖能滿足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)年限的要求，可寫入速度卻足足慢了幾千倍。
針對(duì)這一難題，復(fù)旦大學(xué)張衛(wèi)、周鵬團(tuán)隊(duì)利用顛覆性的二維半導(dǎo)體器件，開創(chuàng)了第三類存儲(chǔ)技術(shù)，讓“寫入速度”與“非易失性”二者兼得，相關(guān)成果以《用于準(zhǔn)非易失應(yīng)用的范德瓦爾斯結(jié)構(gòu)半浮柵存儲(chǔ)》為題，在線發(fā)表于《自然·納米技術(shù)》雜志。
比U盤快一萬倍，數(shù)據(jù)有效期可私人訂制
相信許多人都被U盤或移動(dòng)硬盤“鍛煉”過耐心，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的非易失性存儲(chǔ)技術(shù)需要幾微秒到幾十微秒才能把一單位的數(shù)據(jù)保存下來。相比之下，易失的半導(dǎo)體電荷存儲(chǔ)技術(shù)只用幾納秒就能做到（1微秒=1000納秒）。
? 圖. 用于準(zhǔn)非易失應(yīng)用的范德瓦爾斯結(jié)構(gòu)半浮柵存儲(chǔ)。劉春森博士生和周鵬教授為共同第一作者，張衛(wèi)教授和周鵬教授為通訊作者。
而此次，復(fù)旦大學(xué)研發(fā)的新型電荷存儲(chǔ)技術(shù)已經(jīng)可以達(dá)到10納秒的數(shù)據(jù)寫入速度。這意味著，其傳輸速度比普通U盤快了近乎一萬倍，數(shù)據(jù)刷新時(shí)間也是內(nèi)存技術(shù)的156倍。與此同時(shí)，數(shù)據(jù)在寫入之后保存年限非常久。即使無外界能量輸入，信息也可以保存最多10年。不僅如此，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)時(shí)長(zhǎng)甚至實(shí)現(xiàn)了按需定制：人們可以自主設(shè)置數(shù)據(jù)信息在設(shè)備中的存儲(chǔ)時(shí)間，最短10秒，最久10年，過期就自動(dòng)消失。這些全新特性不僅在高速內(nèi)存中可以極大降低存儲(chǔ)功耗，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)有效期截止后自然消失，在特殊的保密場(chǎng)景中有極大的應(yīng)用價(jià)值。
二維材料新組合：電子在“開門”與“撞墻”間的藝術(shù)
面對(duì)如此新穎的第三類存儲(chǔ)技術(shù)，該論文的評(píng)審人也稱其為“鬼斧神工”的技藝。那么，這樣的成就又是如何實(shí)現(xiàn)的？
存儲(chǔ)技術(shù)時(shí)效性的關(guān)鍵，在于對(duì)電子的管控。要想傳輸速度快，就要讓電子快速進(jìn)入。而要想數(shù)據(jù)保存時(shí)間久，就要讓電子牢牢鎖住。復(fù)旦大學(xué)研究人員認(rèn)為，要實(shí)現(xiàn)快速、長(zhǎng)久的保存，存儲(chǔ)材料應(yīng)當(dāng)“一部分如同一道可隨手開關(guān)的門，電子易進(jìn)難出；另一部分則像一面密不透風(fēng)的墻，電子難以進(jìn)出。對(duì)‘寫入速度’與‘非易失性’的調(diào)控，就在于這兩部分的比例?！闭撐淖髡咧荠i介紹道。
為此，他們選擇了多種二維材料，堆疊構(gòu)成了半浮柵結(jié)構(gòu)晶體管。在存儲(chǔ)器中，二硫化鉬等材料分別用于開關(guān)電荷輸運(yùn)和儲(chǔ)存，而氮化硼被作為隧穿層，以制成階梯能谷結(jié)構(gòu)的“范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)（二維材料堆疊后，分子間作用力使其形成的結(jié)構(gòu)）。”正是這幾種二維材料全新組合，充分發(fā)揮了二維材料的豐富能帶特性，將第三類存儲(chǔ)技術(shù)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。
如人們所知，二維材料發(fā)軔于石墨烯的發(fā)現(xiàn)。這種材料在平面內(nèi)存在強(qiáng)有力的化學(xué)鍵鍵合，而層與層之間則依靠分子間作用力堆疊在一起。同時(shí)，它也是一個(gè)兼有導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體的完整體系。因此，二維材料在存儲(chǔ)技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域有著極大的潛力。
實(shí)際上，該研究團(tuán)隊(duì)也很早意識(shí)到了這一點(diǎn)。在2017年時(shí)，他們就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)二維材料制作的半導(dǎo)體有許多“奇異新特性”。此次，他們將之前的發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步深化，首創(chuàng)了新一代存儲(chǔ)技術(shù)，這或許在不久的未來會(huì)深刻改變?nèi)藗儗?duì)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存方式。
正如這篇文章評(píng)審人所言：“這項(xiàng)工作具有極強(qiáng)的時(shí)效性，也是范德瓦爾斯異構(gòu)結(jié)構(gòu)器件發(fā)展的一個(gè)重要里程碑。器件設(shè)計(jì)提升了范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)電子應(yīng)用領(lǐng)域的最高技術(shù)水平。”
相關(guān)文章
Zhang DW, Zhou P et al. A semi-floating gate memory based on van der Waalsheterostructures for quasi-nonvolatile applications. 2018. Nature Nanotechnology. DOI: 10.1038/s41565-018-0102-6.
制版編輯：常春藤｜
