4所顶尖985高校倾力合作《Nature Nanotech》:打破传统存储极限!单分子驻极体助力超高密度存储

过去数十年来,信息技术飞速发展,辐射了民防、航空、市场分析以及消费电子等众多领域。到2020年,全球的数据总量将达到惊人的44 泽字节 (zettabyte, ZB, 1 ZB = 1012 gigabyte,GB),单单中国就产生了8 ZB的数据量。目前,占据全球存储产业主导地位的是三星、英特尔、东芝等企业所青睐的闪存器件(flash memory),我国的存储产业厂商如武汉长江存储、合肥长鑫存储等企业(目前二者都已被美国盯上,有可能成为继华为、中芯国际之后的下一个目标),距离上述美日韩企业仍然存在着至少两年的技术差距

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5G的发展推动了工业互联网的繁荣,然而对超高密度信息存储器件的需求也随之上升。目前近乎被美日韩厂商垄断的闪存器件,是基于硅基无机材料的晶体管结构的存储器件。想要提高器件的存储密度,就必须减小单元器件的尺寸。然而,量子尺寸效应(当材料尺寸下降到纳米级别时,材料热、光、电、磁等性能会发生极大改变)的影响,以及极为高昂的生产成本和复杂的制备工艺,限制了传统闪存器件的进一步发展。

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如制备5 nm节点器件必须使用的极紫外光刻机,售价高达1亿美元,且受美国制裁,无法卖给中国厂家,而国内想要研发难如登天。

因此,不仅我国企业和各大高校,全球所有半导体产业都在研发新的存储技术,一是避免遭遇目前我国半导体技术被狙击的窘境,二则,全球存储产业市场已经超过了1100亿美元,且年增长超过10%,大家都想来分一杯羹(我国份额尚不足5%,心酸)。

研究进展

早在1993年,佛罗伦萨大学的R. Sessoli等人就在Nature上发文,提出了单分子磁体(single-molecule magnets, SMM)的巨大潜力,然而其极低的工作温度(4 K, -269℃)让它几乎无法在日常环境下实际应用。

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近日,南京大学宋凤麒教授、中国人民大学季威教授、厦门大学谢素原教授、东南大学王金兰教授等国内知名985高校与美国常春藤名校耶鲁大学Mark A.Reed教授、伦斯勒理工学院史夙飞教授合作,设计制备了基于一种单分子驻极体(single-molecule electret, SME)Gd@C82(分子直径不到2 nm)的存储器件,该器件能够在室温下表现出非易失性的极化转变,即实现存储功能,从而推动了单分子存储器件的开发与实际应用。该研究以题为“A Gd@C82 single-molecule electret”的论文发表在最新一期的《Nature Nanotechnology》上。

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Gd(钆)离子被困在了富勒烯C82笼中,且能够在两个能量稳定的点之间相互转变,形成了Gd@C82单分子驻极体。单分子驻极体电极化的方向随着笼内离子的位置变化而改变。在两个稳定的离子点之间的能垒比热能足够高时,在这个温度范围内,离子的点间(inter-site)运动就会受到限制,从而导致了半永久的分子极化。然而,这时如果对该单分子驻极体施加电场,就可以改变其单个离子点的能量,从而引起极化反转的点间离子转移。因此,单分子驻极体能够在没有长程偶极子有序(单分子磁体的相关机理)的情况下,表现出铁电特性,如极化迟滞与自发极化。

作者通过理论计算与实验观察,证明在C82笼中,存在着两个Gd离子稳定点,揭示了Gd@C82分子的单分子驻极体特性。并通过反馈控制的电迁移-断裂-结方法在金电极中间制备了纳米间隙,再将单个Gd@C82分子置于其中,制备了单分子存储器件。

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图1 单分子驻极体存储器

在正向、反向的宽幅电压扫描范围下(-15~15 V),器件的源-漏电流(Ids)呈现出可逆的库伦-震荡图形。不同的电导表明存在着两个稳定的单电子传输(single-electron-transport)通道。此外,在极高的栅极电场(0.5 V nm-1)下,能够观察到与栅极控制的转变行为相关的迟滞曲线(图1b)。

作者认为对C82笼中Gd位点的操纵导致了这种转变行为。有趣的是,由于两个稳定的Gd@C82点并不对等,在Gd@C82分子中,单电子传输行为随着Gd离子位置的不同而变化。利用这种不对称性,才能够将Gd@C82分子应用为存储单元(图1c)。当通过改变栅极电压来调节Gd离子的位置时,就可以实现信息的存储。再从源-漏电流测出Gd离子的位置,就可以读取所存储的信息。这种双态转变行为具有很高的可重复性,能够稳定运行超过一个月。

该研究主要包含两个关键技术突破:

(1) 通过严谨的实验,排除了任何可能的偶极子之间的耦合,从而证明真实的单分子驻极体确实存在

(2) 利用非对称的极化结构,构建了非破坏性的读出设备,因此不需要通过与极化反转相关的瞬态电流的有无来读取信息,大大提高了设备的寿命

在两个不等价的分子极化态之间的转变,可以改变分子的物理性质和电子状态,因此,该机制对未来集成光场或是磁场响应的单分子存储器件提供了新思路。此外,与单分子磁体相比,单分子驻极体的非对称能量结构设计更加简单,在存储单元应用方向有着巨大优势。

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目前来看,尽管单分子器件的商业化还存在着芯片集成、可靠性等各种各样的限制,但是该研究为未来基于驻极体的非易失性存储器提供了重要的原理证明。在国家大力发展半导体产业的浪潮下,希望全国半导体人能够再接再厉,早日打破美日韩的封锁,摆脱受制于人的窘境。

全文链接:

https://www.nature.com/articles/s41565-020-00778-z

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