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亚纳秒可逆相变机理的奥秘——八面体基元 | 相变存储器新进展

Science China Press

相变存储器(PCRAM)具有微缩性好、可三维集成、擦写速度快、与新型COMS工艺相兼容等优点,正以变革计算机框架的存储型内存(Storage Class Memory)角色进入主流存储器市场。英特尔认为3D PCRAM(3D Xpoint)是“自1989年NAND问世以来,时隔25年取得新突破”,其速度和寿命都是NAND的1000倍。尽管如此,相变存储器的快速可逆相变机理仍未有共识,而机理的阐明是发现与设计新材料,进一步实现高速、低功耗、长寿命、高数据保持力相变存储器的关键。最近一项工作提出的八面体基元理论揭示了其中的奥秘。

研究相关的综述题为“From octahedral structure motif to sub-nanosecond phase transitions in phase change materials for data storage”,近期即将出版于SCIENCE CHINA Information Sciences 2018年第61卷第8期,由中国科学院上海微系统与信息技术研究所宋志棠研究员撰写。

作者回顾了相变存储器的发展历史及各国科学家对可逆相变机理的研究与认识过程,总结了十五年相变存储器的研发经验,特别是自主研发Ti-Sb-Te与Sc-Sb-Te相变材料, 提出八面体原子基元理论,要点是:

    (1) 非晶态和晶态中的八面体原子基元(简称八面体)是可逆相变的基本单元,主流的相变材料是由单一或两个套构八面体,共享Te形成面心立方体(FCC)结构,释放空位可转变为更稳定的六方体(HEX)结构;

    (2) 晶格与电子结构匹配的八面体是构建单项、稳定相变材料的物理本质,是实现高密度、长寿命存储的核心;

    (3) 稳定八面体是实现快速、有序成核,由非晶向多晶快速生长关键,从而实现存储性能的低功耗、高速;

    (4) 抑制FCC向HEX转变,可有效保存可逆相变润滑剂(FCC相中的空位),促进多晶向非晶的转变,从而实现高速、低功耗与高数据保持力。

这一理论对于开发自主新型相变材料具有重要的指导意义,将会极大地推动相变存储器研发与产业化的进程。

该项研究得到了国家重点研发计划课题(No. 2017YFB0206101)资助。

更多详情请阅原文:

Zhitang SONG, Sannian SONG, Min ZHU et al. From octahedral structure motif to sub-nanosecond phase transitions in phase change materials for data storage. Sci China Inf Sci, 2018, 61(8): 081302

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