過去數(shù)十年來，信息技術(shù)飛速發(fā)展，輻射了民防、航空、市場(chǎng)分析以及消費(fèi)電子等眾多領(lǐng)域。到2020年，全球的數(shù)據(jù)總量將達(dá)到驚人的44 澤字節(jié) (zettabyte, ZB, 1 ZB = 1012 gigabyte,GB)，單單中國(guó)就產(chǎn)生了8 ZB的數(shù)據(jù)量。目前，占據(jù)全球存儲(chǔ)產(chǎn)業(yè)主導(dǎo)地位的是三星、英特爾、東芝等企業(yè)所青睞的閃存器件(flash memory)，我國(guó)的存儲(chǔ)產(chǎn)業(yè)廠商如武漢長(zhǎng)江存儲(chǔ)、合肥長(zhǎng)鑫存儲(chǔ)等企業(yè)（目前二者都已被美國(guó)盯上，有可能成為繼華為、中芯國(guó)際之后的下一個(gè)目標(biāo)），距離上述美日韓企業(yè)仍然存在著至少兩年的技術(shù)差距。
5G的發(fā)展推動(dòng)了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的繁榮，然而對(duì)超高密度信息存儲(chǔ)器件的需求也隨之上升。目前近乎被美日韓廠商壟斷的閃存器件，是基于硅基無(wú)機(jī)材料的晶體管結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器件。想要提高器件的存儲(chǔ)密度，就必須減小單元器件的尺寸。然而，量子尺寸效應(yīng)（當(dāng)材料尺寸下降到納米級(jí)別時(shí)，材料熱、光、電、磁等性能會(huì)發(fā)生極大改變）的影響，以及極為高昂的生產(chǎn)成本和復(fù)雜的制備工藝，限制了傳統(tǒng)閃存器件的進(jìn)一步發(fā)展。
如制備5 nm節(jié)點(diǎn)器件必須使用的極紫外光刻機(jī)，售價(jià)高達(dá)1億美元，且受美國(guó)制裁，無(wú)法賣給中國(guó)廠家，而國(guó)內(nèi)想要研發(fā)難如登天。
因此，不僅我國(guó)企業(yè)和各大高校，全球所有半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)都在研發(fā)新的存儲(chǔ)技術(shù)，一是避免遭遇目前我國(guó)半導(dǎo)體技術(shù)被狙擊的窘境，二則，全球存儲(chǔ)產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)已經(jīng)超過了1100億美元，且年增長(zhǎng)超過10%，大家都想來分一杯羹（我國(guó)份額尚不足5%，心酸）。
研究進(jìn)展
早在1993年，佛羅倫薩大學(xué)的R. Sessoli等人就在Nature上發(fā)文，提出了單分子磁體（single-molecule magnets, SMM）的巨大潛力，然而其極低的工作溫度（4 K, -269℃）讓它幾乎無(wú)法在日常環(huán)境下實(shí)際應(yīng)用。
近日，南京大學(xué)宋鳳麒教授、中國(guó)人民大學(xué)季威教授、廈門大學(xué)謝素原教授、東南大學(xué)王金蘭教授等國(guó)內(nèi)知名985高校與美國(guó)常春藤名校耶魯大學(xué)Mark?A.Reed教授、倫斯勒理工學(xué)院史夙飛教授合作，設(shè)計(jì)制備了基于一種單分子駐極體（single-molecule electret, SME）Gd@C82（分子直徑不到2 nm）的存儲(chǔ)器件，該器件能夠在室溫下表現(xiàn)出非易失性的極化轉(zhuǎn)變，即實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)功能，從而推動(dòng)了單分子存儲(chǔ)器件的開發(fā)與實(shí)際應(yīng)用。該研究以題為“A Gd@C82?single-molecule electret”的論文發(fā)表在最新一期的《Nature Nanotechnology》上。
Gd（釓）離子被困在了富勒烯C82籠中，且能夠在兩個(gè)能量穩(wěn)定的點(diǎn)之間相互轉(zhuǎn)變，形成了Gd@C82單分子駐極體。單分子駐極體電極化的方向隨著籠內(nèi)離子的位置變化而改變。在兩個(gè)穩(wěn)定的離子點(diǎn)之間的能壘比熱能足夠高時(shí)，在這個(gè)溫度范圍內(nèi)，離子的點(diǎn)間（inter-site）運(yùn)動(dòng)就會(huì)受到限制，從而導(dǎo)致了半永久的分子極化。然而，這時(shí)如果對(duì)該單分子駐極體施加電場(chǎng)，就可以改變其單個(gè)離子點(diǎn)的能量，從而引起極化反轉(zhuǎn)的點(diǎn)間離子轉(zhuǎn)移。因此，單分子駐極體能夠在沒有長(zhǎng)程偶極子有序（單分子磁體的相關(guān)機(jī)理）的情況下，表現(xiàn)出鐵電特性，如極化遲滯與自發(fā)極化。
作者通過理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)觀察，證明在C82籠中，存在著兩個(gè)Gd離子穩(wěn)定點(diǎn)，揭示了Gd@C82分子的單分子駐極體特性。并通過反饋控制的電遷移-斷裂-結(jié)方法在金電極中間制備了納米間隙，再將單個(gè)Gd@C82分子置于其中，制備了單分子存儲(chǔ)器件。
圖1?單分子駐極體存儲(chǔ)器
在正向、反向的寬幅電壓掃描范圍下（-15~15 V），器件的源-漏電流（Ids）呈現(xiàn)出可逆的庫(kù)倫-震蕩圖形。不同的電導(dǎo)表明存在著兩個(gè)穩(wěn)定的單電子傳輸（single-electron-transport）通道。此外，在極高的柵極電場(chǎng)（0.5 V nm-1）下，能夠觀察到與柵極控制的轉(zhuǎn)變行為相關(guān)的遲滯曲線（圖1b）。
作者認(rèn)為對(duì)C82籠中Gd位點(diǎn)的操縱導(dǎo)致了這種轉(zhuǎn)變行為。有趣的是，由于兩個(gè)穩(wěn)定的Gd@C82點(diǎn)并不對(duì)等，在Gd@C82分子中，單電子傳輸行為隨著Gd離子位置的不同而變化。利用這種不對(duì)稱性，才能夠?qū)d@C82分子應(yīng)用為存儲(chǔ)單元(圖1c)。當(dāng)通過改變柵極電壓來調(diào)節(jié)Gd離子的位置時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)。再?gòu)脑?漏電流測(cè)出Gd離子的位置，就可以讀取所存儲(chǔ)的信息。這種雙態(tài)轉(zhuǎn)變行為具有很高的可重復(fù)性，能夠穩(wěn)定運(yùn)行超過一個(gè)月。
該研究主要包含兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)突破：
（1）?通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)，排除了任何可能的偶極子之間的耦合，從而證明真實(shí)的單分子駐極體確實(shí)存在。
（2）?利用非對(duì)稱的極化結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了非破壞性的讀出設(shè)備，因此不需要通過與極化反轉(zhuǎn)相關(guān)的瞬態(tài)電流的有無(wú)來讀取信息，大大提高了設(shè)備的壽命。
在兩個(gè)不等價(jià)的分子極化態(tài)之間的轉(zhuǎn)變，可以改變分子的物理性質(zhì)和電子狀態(tài)，因此，該機(jī)制對(duì)未來集成光場(chǎng)或是磁場(chǎng)響應(yīng)的單分子存儲(chǔ)器件提供了新思路。此外，與單分子磁體相比，單分子駐極體的非對(duì)稱能量結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單，在存儲(chǔ)單元應(yīng)用方向有著巨大優(yōu)勢(shì)。
目前來看，盡管單分子器件的商業(yè)化還存在著芯片集成、可靠性等各種各樣的限制，但是該研究為未來基于駐極體的非易失性存儲(chǔ)器提供了重要的原理證明。在國(guó)家大力發(fā)展半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的浪潮下，希望全國(guó)半導(dǎo)體人能夠再接再厲，早日打破美日韓的封鎖，擺脫受制于人的窘境。
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