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科技前沿
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寧波材料所等在新型信息存儲技術(shù)研究方面取得進(jìn)展

來源： 中國科學(xué)院
作者：南皮縣產(chǎn)學(xué)研科技成果轉(zhuǎn)化服務(wù)中心
日期： 2015-04-04
【字號 大 中 小】

 

大數(shù)據(jù)時代信息總量呈爆炸式增長，海量數(shù)據(jù)需要進(jìn)行有效地處理和存儲，因此對信息器件提出了低功耗、小型化和多功能集成化的要求。然而，在傳統(tǒng)的馮諾依曼構(gòu)架中，由于存儲器和處理器分立存在，計算機(jī)必須消耗大量的運(yùn)算周期在不同層級的存儲器之間查找和傳輸數(shù)據(jù)，并且只能逐條執(zhí)行指令和各種計算任務(wù)，限制了當(dāng)前計算機(jī)的并行處理能力。中國科學(xué)院磁性材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所）李潤偉研究團(tuán)隊(duì)開展了基于多物理場調(diào)控存儲介質(zhì)的電阻和磁性狀態(tài)的前瞻性研究，以期探索新型的信息存儲模式和提高信息器件的功能集成度。
一般來說，光電信息互聯(lián)芯片可以集成光源、控制器、濾波器、運(yùn)算器、探測器和存儲器等組件。將光路引入電路，能夠共同完成信息的編碼、傳輸、解碼、運(yùn)算、處理及存儲過程，有望作為后摩爾時代信息處理與存儲技術(shù)的替代方案。其中，主要組件包括獨(dú)立的光信息存儲器件（即通過光寫入方式存儲信息）和信息處理器件等。而多種功能集成的光電信息存儲器能同時實(shí)現(xiàn)信息的處理并存儲，從而可降低集成電路的復(fù)雜性，有望用于急劇增加的海量信息處理與存儲。最近，該團(tuán)隊(duì)的檀洪偉和研究員劉鋼等人利用光脈沖和電場對金屬-半導(dǎo)體肖特基接觸界面處缺陷態(tài)電子濃度的調(diào)控，獲得了電場可擦除的可持續(xù)光電導(dǎo)效應(yīng)；進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)該可持續(xù)光電導(dǎo)隨光照時間呈線性關(guān)系，并且具有從可見到紫外的寬譜響應(yīng)。基于此效應(yīng)，他們設(shè)計了一種集光信息的編碼/解碼、運(yùn)算及存儲于一體的新型信息處理與存儲器件。在該多功能器件中，可以分別利用光的顏色（頻率）和強(qiáng)度對信息進(jìn)行編碼或解碼，并利用對光脈沖個數(shù)的線性響應(yīng)特性實(shí)現(xiàn)對光信號計數(shù)或者進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算；基于可持續(xù)光響應(yīng)效應(yīng)，可對上述解碼或者運(yùn)算的結(jié)果進(jìn)行多態(tài)信息存儲，從而實(shí)現(xiàn)了對光信息實(shí)時獲取、處理與存儲過程，即在一個器件中實(shí)現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換、數(shù)值運(yùn)算以及信息存儲功能的集成。相關(guān)結(jié)果申請中國發(fā)明專利1項(xiàng)（201510114334.6），并被作為底封面論文發(fā)表在Advanced Materials（DOI:10.1002/adma. 201500039）上。
另一方面，磁存儲一直是信息存儲的主流技術(shù)。無論是傳統(tǒng)的硬盤還是新興的磁性隨機(jī)存儲器，通常都采用外加磁場或者電流的方式寫入信息，非常不利于器件的小型化和低功耗的發(fā)展需求。因此，尋求通過電場在納米尺度下對磁性進(jìn)行有效調(diào)控的方法已經(jīng)成為近十年來的一個研究熱點(diǎn)。該團(tuán)隊(duì)的陳欣欣、朱小健、劉鋼等人與新加坡國立大學(xué)教授丁軍合作，基于離子型阻變隨機(jī)存儲技術(shù)，提出了在納米尺度下通過電場誘導(dǎo)離子輸運(yùn)調(diào)控鐵氧體薄膜材料磁化方向的新思路。通過第一性原理計算發(fā)現(xiàn)，具有鐵缺陷的鈷鐵氧體材料(CoFe2-xO4)中的鈷離子可以在電場作用下發(fā)生遷移并重排，從而誘導(dǎo)出單向磁各向異性。隨后，他們利用掃描探針技術(shù)在納米尺度上對CoFe2-xO4薄膜施加電壓，并原位觀測其微區(qū)磁疇的演變規(guī)律，證實(shí)外加電場能夠使CoFe2-xO4薄膜的磁化方向發(fā)生非易失性的可逆翻轉(zhuǎn)，在納米尺度下實(shí)現(xiàn)了通過電場調(diào)控磁矩方向。這種實(shí)現(xiàn)電場調(diào)控磁性的方法無需低溫環(huán)境以及磁場的輔助，為發(fā)展新型的信息存儲技術(shù)以及電場調(diào)控的自旋電子器件提供了一種新途徑。相關(guān)結(jié)果近日發(fā)表在ACS Nano（DOI:10.1021/acsnano.5b00456）上。
上述研究工作獲得國家“973”子課題、國家自然科學(xué)基金、中科院裝備計劃、中科院青年促進(jìn)會等項(xiàng)目支持。

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