显著加快计算机存储设备的亮点

今天在科学进展在线发表的一篇文章中，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一种特定的相变存储器(PCM)材料如何能够比当前的闪存快一千倍，尽管它在日常读写时间方面明显更耐用。

PCM是计算机随机存取存储器(RAM)的一种形式，它通过在液体、玻璃和晶体状态之间改变“位”(数百万个组件)的材料状态来存储数据。PCM技术有潜力以前所未有的规模提供廉价、高速、高密度、大容量和非易失性存储。

斯坦福沃弗辛斯基在1975年发明了基本思想和材料，但由于缺乏对材料如何在如此短的时间尺度内进行相变的清晰了解，以及与以必要的精度控制变化相关的技术问题，应用一直步履蹒跚。现在，三星、IBM、英特尔等高科技公司都在尝试改进。

目前正在研究的半金属材料是Ge、Sb、Te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)来检测PCM液体的微观动力学，以寻找可能使相变如此尖锐和可重复的线索。

根据该命令，这种PCM材料的每个微比特的结构可以通过受控的热或光脉冲在百万分之一秒的时间尺度内从玻璃变成晶体或从晶体变回玻璃(通过液体中间体)，现在前者是优选的。在非晶或无序相中，材料具有高电阻和“关”状态；在结晶相或有序相中，其电阻降低1000倍或更多以达到“导通”状态。

这些元件被布置在有源电极之间的二维层中，这些有源电极可以被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器件可以比传统闪存运行快许多倍，同时使用更少的元件。权力。

“这种材料的无定形相可以被认为是‘半金属玻璃’，”当时在摄政奥斯汀安格尔教授实验室担任洪堡基金会奖学金博士后研究获得者的帅伟解释道。

“与‘金属玻璃’研究领域的策略相反，为了获得大块玻璃，人们进行了几十年的努力来减缓晶化。在这里，我们希望这些半金属玻璃在液体中尽快结晶。然而，当处于玻璃态时，它们应该尽可能稳定。我认为现在我们对正在研究的PCM如何实现这一目标有了新的理解。”

偏离期望

一个多世纪前，爱因斯坦在博士论文中写道，如果阻碍粒子运动的摩擦力是斯托克斯落入一罐蜂蜜中导出的圆球，可以理解为粒子进行布朗运动扩散。简单的等式：

d(扩散系数)=kBT/6r

其中T是温度，是粘度，r是粒子半径，这意味着乘积D/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，也适用于简单的分子液体，其分子运动已知是除了球穿过蜂蜜之外的任何分子运动。

“我们没有任何好的解释来解释为什么它能如此有效。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，我们知道一些有趣的液体甚至会在熔点以上严重失效，”angell说。

“其中之一是液态碲，它是PCM材料的关键元素。另一个是水，以异常出名，第三个是锗，是GST PCM三种元素中的第二种。现在我们要添加第四个，消费税液体本身。因此，帅伟和他的德国同事、慕尼黑莫里茨斯托普科技大学和萨尔州大学的扎克埃弗森(Zach everson)对亚利桑那大学的帅和皮埃尔卢卡斯(Pierre Lucas)制备的样品进行了中子散射研究。”

这组液体的另一个共同特征是存在最大液体内密度，这在水的情况下很有名。在碲化砷(As2Te3)的稳定液态下，也观察到了金属-半导体跃迁冷却过程中密切观察到的密度最大值，它是PCM的碲化锑(Sb2Te3)成分的近亲。这些位于三组分相图中连接碲化锑(Sb2Te3)和碲化锗(GeTe)的“奥夫辛斯基”线上。

魏和合著者认为，当锗、锑和碲以1: 2: 4的比例混合在一起时，或者沿着奥夫申斯基的其他“神奇”线，密度最大值和相关金属被推到熔点以下，发生非金属转变，同时，这种转变变得比其他硫族化合物混合物更尖锐。

那么，和过冷水的情况一样，与响应函数极值有关的涨落应该会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，密度更大。

“这可以解释很多事情，”安吉尔说。在转变点以上，液体流动很快，结晶也很快，而在转变点以下，液体迅速硬化，保持无定形状态，电导率很低，直到室温。在纳米尺度的“比特”中，它然后保持无限稳定，直到计算机编程的加热脉冲表明它立即上升到一个温度。在纳秒时间尺度内，它闪烁并结晶到一个on状态，即“开”状态。

剑桥大学的Lindsay Greer就“从弱到强”的流动转变提出了同样的论点。

第二个稍大的热脉冲可以立即将“比特”置于其熔点之上。然后，在没有进一步的热量输入和与冷衬底紧密接触的情况下，它以足以避免结晶的速率被淬火，并处于半导体状态，“关”状态。

“慕尼黑工业大学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。加尔兴的海因茨迈尔-莱布尼茨中心的中子散射是使这些运动可见的理想方式，”艾文森说。

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