11 月 6 日，由印度科學(xué)研究院（IISc）、賓夕法尼亞大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（賓夕法尼亞工程學(xué)院）和麻省理工學(xué)院（麻省理工學(xué)院）等科研機(jī)構(gòu)的科學(xué)家組成的合作團(tuán)隊(duì)，在《自然》（Nature）雜志上發(fā)表了一項(xiàng)關(guān)于硒化銦的突破性研究。研究發(fā)現(xiàn)，硒化銦能夠以一種極為獨(dú)特的方式實(shí)現(xiàn)從晶體相到玻璃相的轉(zhuǎn)變，且這一轉(zhuǎn)變過程所需的能量相較于傳統(tǒng)用于將晶體轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡУ娜廴诖慊鸱ㄉ偈畠|倍，這無疑是一個(gè)令人矚目的發(fā)現(xiàn)。
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在研究過程中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)當(dāng)電流通過由二維鐵電材料硒化銦制成的導(dǎo)線時(shí)，這種材料的長段會(huì)突然非晶化成玻璃。這一現(xiàn)象與傳統(tǒng)認(rèn)知大相徑庭，通常情況下，人們認(rèn)為需要電脈沖來誘導(dǎo)材料的變形，而此次實(shí)驗(yàn)中，持續(xù)電流竟然破壞了晶體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了非晶化轉(zhuǎn)變。研究小組進(jìn)一步深入探究這一過程，發(fā)現(xiàn)當(dāng)持續(xù)電流平行通過材料的二維層時(shí)，二維層會(huì)在不同方向上相互滑動(dòng)，從而形成許多具有特定偶極矩的微小區(qū)域，即疇。這些疇被分隔疇的輔助區(qū)域所束縛，當(dāng)多個(gè)缺陷相交于一個(gè)小的納米區(qū)域時(shí)，就如同在墻上打了過多的洞，致使晶體的結(jié)構(gòu)完整性崩潰，進(jìn)而在局部形成玻璃。這些疇界會(huì)隨著電場移動(dòng)，當(dāng)它們相互碰撞時(shí)，會(huì)產(chǎn)生類似地震的機(jī)械（和電氣）沖擊，這種沖擊會(huì)引發(fā)雪崩效應(yīng)，造成遠(yuǎn)離震中的擾動(dòng)，產(chǎn)生更多的疇界和玻璃化區(qū)域，進(jìn)而引發(fā)更多的類似沖擊。當(dāng)整個(gè)材料最終變成玻璃（長程非晶化）時(shí)，雪崩效應(yīng)才會(huì)停止。硒化銦之所以能夠?qū)崿F(xiàn)這種通過沖擊達(dá)成的非晶化超低能量途徑，得益于其多種獨(dú)特性質(zhì)的共同作用，包括二維結(jié)構(gòu)、鐵電性和壓電性等。一、傳統(tǒng)內(nèi)存存儲(chǔ)技術(shù)的能耗困境在內(nèi)存存儲(chǔ)領(lǐng)域，傳統(tǒng)技術(shù)長期以來面臨著能耗方面的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。以隨機(jī)訪問內(nèi)存（RAM）為例，它作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中用于臨時(shí)保存數(shù)據(jù)的關(guān)鍵存儲(chǔ)形式，能夠快速讀取和寫入服務(wù)器信息，有力地支撐了計(jì)算機(jī)的高效運(yùn)行。然而，當(dāng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)，其存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)會(huì)丟失，這也凸顯了它作為臨時(shí)存儲(chǔ)器的特性。RAM 采用插件式模塊結(jié)構(gòu)，可直接與計(jì)算機(jī)主板上的插槽相連，實(shí)現(xiàn)便捷的快速讀取和寫入操作，并且能根據(jù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求的變化隨時(shí)進(jìn)行添加或更換。在眾多內(nèi)存存儲(chǔ)技術(shù)中，相變存儲(chǔ)器（PCM）占據(jù)著重要地位。在目前廣泛應(yīng)用的相變存儲(chǔ)器中，數(shù)據(jù)的寫入和擦除過程是通過交替變化來實(shí)現(xiàn)的，從而為用戶提供編程信息更新和存取功能。具體而言，是將熱量施加給相變存儲(chǔ)器本身，以此觸發(fā)其進(jìn)入一種脆性相變過程，在此過程中，大約有 50% 的動(dòng)量會(huì)對(duì)相變存儲(chǔ)器產(chǎn)生影響。然而，這種傳統(tǒng)的相變存儲(chǔ)器存在一個(gè)顯著的問題，那就是能耗過高。無論是在寫入還是擦除數(shù)據(jù)的過程中，都需要消耗大量的能量。尤其是在寫入過程中，晶體需要被加熱到超過 800°C 的高溫，然后再突然冷卻，這一熔化 - 淬火過程極為耗能。類似的情況也出現(xiàn)在 CD、DVD 和藍(lán)光光盤等存儲(chǔ)設(shè)備中，它們同樣是使用激光脈沖將晶體材料快速加熱并淬火至玻璃相來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)寫入，而逆轉(zhuǎn)過程則可能擦除數(shù)據(jù)。這種高能耗的存儲(chǔ)方式不僅增加了設(shè)備的運(yùn)行成本，還會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，對(duì)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行帶來諸多不利影響，如散熱問題可能導(dǎo)致設(shè)備性能下降甚至出現(xiàn)故障。因此，尋找一種能夠降低能耗的新型存儲(chǔ)技術(shù)，成為了科研人員亟待攻克的重要課題。
二、硒化銦轉(zhuǎn)變機(jī)制與新型存儲(chǔ)器的潛力
深入研究硒化銦從晶體到玻璃的轉(zhuǎn)變機(jī)制，對(duì)于理解其在內(nèi)存存儲(chǔ)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力至關(guān)重要。在實(shí)驗(yàn)觀察中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)當(dāng)在納米尺度下有較大電流經(jīng)過硒化銦時(shí)，其表面和體積都會(huì)發(fā)生變化，這種變化呈現(xiàn)出類似雪崩的特征，因此被稱之為 “雪崩效應(yīng)”。雖然最初對(duì)于造成雪崩效應(yīng)的具體原因并不清晰，但經(jīng)過后續(xù)研究推測，可能與極化、壓電或者鐵電等現(xiàn)象有關(guān)。進(jìn)一步研究還發(fā)現(xiàn)，在樣品發(fā)生雪崩效應(yīng)時(shí)，表面上會(huì)表現(xiàn)得如同電極極性翻轉(zhuǎn)那樣。而鐵電性質(zhì)能夠使存儲(chǔ)單元具備永久極性，對(duì)于硒化銦這種非晶態(tài)材料來說，其表現(xiàn)出的類似鐵電的特性使其極有可能成為一種新型的非易失性存儲(chǔ)器。基于硒化銦的這些特性，科研人員提出了一些關(guān)于如何利用其實(shí)現(xiàn)更低能耗存儲(chǔ)的設(shè)想。一種可能性是將硒化銦原料作為通用 “軟開關(guān)” 并與現(xiàn)代 CMOS 系統(tǒng)搭配使用。就像 “相變存儲(chǔ)技術(shù)之父” 斯坦福大學(xué)教授蘭迪?卡德爾（Randy K. Kadel）所展望的那樣，可以將硒化銦作為其他相變材料納米片，使其與現(xiàn)代 CMOS 系統(tǒng)、三維設(shè)計(jì)等傳輸相結(jié)合，從而應(yīng)用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)硬件上。此外，科學(xué)家們還提出構(gòu)建全新的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)架構(gòu)，即將二進(jìn)制數(shù)據(jù)信息映射到硒化銦像素極性中，然后利用可操作 CMOS 技術(shù)將其作為一些數(shù)據(jù)位，以此實(shí)現(xiàn)盡可能高效的元件設(shè)計(jì)。盡管目前這些設(shè)想還處于繪圖設(shè)計(jì)階段，尚未完全實(shí)現(xiàn)，但無疑為未來硒化銦在內(nèi)存存儲(chǔ)領(lǐng)域的應(yīng)用指明了方向。三、硒化銦在內(nèi)存存儲(chǔ)應(yīng)用中的優(yōu)勢與展望若將硒化銦應(yīng)用于不同的內(nèi)存存儲(chǔ)產(chǎn)品中，有望帶來諸多顯著優(yōu)勢，為內(nèi)存存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展開辟新的道路。首先，硒化銦作為內(nèi)存代表應(yīng)用時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)高效節(jié)能。每個(gè)內(nèi)存單元都可通過電流通過來實(shí)現(xiàn)無時(shí)間延遲的狀態(tài)轉(zhuǎn)變，從而快速改變開關(guān)狀態(tài)，使得數(shù)據(jù)能夠更迅速地被讀取和快照更新。相較于傳統(tǒng)的 FAT 等內(nèi)存格式，其數(shù)據(jù)編程時(shí)間長且需要大量電能，硒化銦在這方面無疑展現(xiàn)出了突出的優(yōu)勢。從長遠(yuǎn)來看，當(dāng)研究人員進(jìn)一步掌握如何利用硒化銦的新發(fā)現(xiàn)進(jìn)行組合或者開發(fā)新型材料以實(shí)現(xiàn)最佳性能時(shí)，常規(guī)存儲(chǔ)雖仍會(huì)占據(jù)一定市場份額，但硒化銦的應(yīng)用有望使存儲(chǔ)效率得到顯著提升。例如，通過使用不同余量等來識(shí)別不同狀態(tài)，可能會(huì)進(jìn)一步提高存儲(chǔ)效率。在目前廣泛使用的相變存儲(chǔ)器中，每次寫入和擦除操作都伴隨著一定的能耗消耗，為了實(shí)現(xiàn)最佳利益，需要充分利用信息編程和解讀速率最大化功能，確保不丟失任何信息且避免重復(fù)編程。而硒化銦的出現(xiàn)，為解決這一問題提供了新的思路和可能性。隨著科技的不斷進(jìn)步，硒化銦的這一革命性發(fā)現(xiàn)有望推動(dòng)內(nèi)存存儲(chǔ)技術(shù)實(shí)現(xiàn)重大變革，從手機(jī)到手機(jī)等各類電子設(shè)備的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式都可能因此而發(fā)生改變。未來，我們有理由期待硒化銦在內(nèi)存存儲(chǔ)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)更低能耗、更高效率的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，為數(shù)字化時(shí)代的發(fā)展提供更強(qiáng)勁的支撐。硒化銦晶體到玻璃的轉(zhuǎn)變這一突破性發(fā)現(xiàn)，以其能耗降低十億倍的巨大優(yōu)勢，為內(nèi)存存儲(chǔ)技術(shù)帶來了前所未有的機(jī)遇。通過深入研究其特性、轉(zhuǎn)變機(jī)制以及應(yīng)用潛力，我們看到了硒化銦在未來內(nèi)存存儲(chǔ)領(lǐng)域的廣闊前景。相信在科研人員的不斷努力下，這一新型存儲(chǔ)技術(shù)將逐步走向成熟，為電子設(shè)備的發(fā)展注入新的活力，開啟內(nèi)存存儲(chǔ)技術(shù)的新篇章。