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          重磅!《Science》發表西安交大研發新型相變材料--鈧銻碲合金 突破相變存儲速度極限


          在11月11日的2017年新材料國際發展趨勢論壇大會上,來自西安交通大學的馬恩教授就相變存儲器為主題進行了匯報,并與大家分享了最新研究成果,研發出一種新型相變材料――鈧銻碲合金,該材料的成功研制突破了相變存儲速度極限。


          這一研究成果被美國Science雜志接受并發表,該工作從接收到在線發表僅10天。并且這一研究成果對深入理解和調控非晶態材料的形核與生長機制具有重要的指導意義,并為實現我國自主的通用存儲器技術奠定了基礎。



          11月10日,美國Science雜志以First Release的形式發表了西安交通大學與上海微系統與信息技術研究所的合作論文――Reducing the stochasticity of crystal nucleation to enable sub-nanosecond memory writing(降低晶體成核隨機性以實現亞納秒數據存儲),該工作從接收到在線發表僅10天。 


          處于數字全球化的今天,爆 炸式增長的信息對數據的存儲與傳輸提出了極大的挑戰,而且目前商用計算體系架構內各存儲部件,即緩存(SRAM)、內存(DRAM)和閃存(NAND Flash)之間性能差距日益加大,其間的數據交換效率也已成為了電子設備發展的瓶頸。因此研發具備存儲密度大、讀寫速度快、能耗低、非易失(即斷電后數據不丟失)等特點的新式通用式存儲介質勢在必行?;谙嘧儾牧系南嘧兇鎯ζ鳎≒CRAM)是最接近商業化的通用式存儲器,由國際半導體巨頭Intel與Mircon聯合推出的首款商用相變存儲器“傲騰”已于今年投入市場。 


          我國科研人員在國家的大力支持下,經過十多年的發展,也已能夠初步實現相變存儲器的產業化。但目前所有相變存儲器的讀寫速度仍然無法媲美高速型存儲器,如內存(納秒)和緩存(亞納秒)。除去工業化工藝水平問題,最為核心的難題是傳統相變材料(鍺銻碲)形核隨機性較大,其結晶化過程通常需要幾十至幾百納秒,而結晶化速度直接對應著寫入速度。





          新式鈧銻碲(SST)相變存儲器件~0.7納秒的高速寫入操作以及其微觀結晶化機理


          為解決寫入速度瓶頸問題,西安交通大學材料學院金屬材料強度國家重點實驗室微納中心(CAMP-Nano)張偉教授、“千人計劃”學者馬恩教授與中國科學院上海微系統與信息技術研究所饒峰副研究員通力合作,利用材料計算與設計的手段篩選出新型相變材料鈧銻碲合金。該材料利用結構適配且更加穩定的鈧碲化學鍵來加速晶核的孕育過程,顯著降低形核過程的隨機性,大幅加快結晶化即寫入操作速度。 


          與業內性能最好的相變器件相比,鈧銻碲器件的操作速度提升超過10多倍,達到了0.7納秒的高速可逆操作,并且降低操作功耗近10倍。通過材料模擬計算,研究人員清晰地揭示了超快結晶化以及超低功耗的微觀機理。這一研究成果對深入理解和調控非晶態材料的形核與生長機制具有重要的指導意義,并為實現我國自主的通用存儲器技術奠定了基礎。 


          該項工作的材料計算與設計部分由西安交大完成:材料學院大四本科生周宇星為該工作的共同第一作者,青年千人學者張偉教授為共同通訊作者,負責論文投稿。該項工作得到了國家自然科學基金(編號:61774123、51621063),中組部千人計劃,西安交大青年拔尖人才計劃的支持。計算資源由西安交大網信中心高性能計算平臺以及國家超級計算深圳中心提供。


          論文信息 
          Feng Rao,#* Keyuan Ding,#Yuxing Zhou,#Yonghui Zheng, Mengjiao Xia, Shilong Lv, Zhitang Song,* Songlin Feng, Ider Ronneberger, Riccardo Mazzarello, Wei Zhang,* and Evan Ma, Reducing the stochasticity of crystal nucleation to enable sub-nanosecond memory writing, 2017, Science, DOI: 10.1126/science.aao3212


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