新材料提供更耐用可持续的多级非易失性相变存储器

科学家们在非易失性相变存储器的开发上取得了突破，这是一种即使在电源关闭时也能存储数据的电子存储器，其材料从未表现出此类存储器所需的特性。

到目前为止，相变存储器主要是使用硫族化物开发的——硫族化物是一组已知在晶态和非晶态之间转变时表现出可逆电变化的材料。

但如果有更好的材料呢?

在最近发表的一项研究中，研究人员报告了层状镍酸盐中室温电阻率的热可逆转换，有可能提供更好的性能和卓越的可持续性。

该研究于 2023 年 9 月 3 日发表在《Advanced Science》杂志上。

层状镍酸盐是一类由镍离子组成的复合氧化物材料。它们呈现出层状结构，其中镍和氧原子的平面散布着含有其他元素(通常是碱土元素或稀土元素)的层。由于其电子具有有趣的特性，它们独特的层状排列引起了研究人员的兴趣，在超导等领域以及电子学等领域具有潜在的应用前景。

研究人员的特殊层状镍酸盐由“岩盐”结构排列的锶、铋和氧原子层组成，与钙钛矿结构中的锶、镍和氧原子分子层交错。钙钛矿由两个带正电的原子和一个带负电的原子组成的特定晶体结构定义，并且具有许多有趣的特性，从超导性到铁电性——一种可以通过施加电场来逆转的自发电极化。

后一个特性对于非易失性相变存储器特别令人感兴趣，因为后者依赖于材料以可逆方式在两种电阻率状态之间切换的能力。

该研究的合著者、日本东北大学的材料科学家 Hideyuki Kawasoko 表示：“我们想知道是否可以通过热的方式实现类似的可逆性。”

这种可逆性已在各种硫族化物中得到证明——任何由元素周期表第 16 族元素(例如硫、硒和碲)形成的化合物，但在过渡金属氧化物(氧和中间部分发现的任何元素的化合物)中却没有得到证明。元素周期表中的元素，特别是第 3 族到第 12 族)——至少到现在为止。

这很重要，因为虽然硫属化物已被证明对许多相变存储器应用有效，但与某些硫属化物相比，过渡金属氧化物通常表现出更好的热稳定性和化学稳定性。这可能会导致设备具有更长的使用寿命，并且可以在更具挑战性的条件下运行。

许多过渡金属氧化物也比硫族化物更丰富，这可以降低成本并提高可持续性。过渡金属氧化物已广泛应用于电子、传感器和相关应用。如果它们能够适应新功能，例如相变存储器，则可能更容易将它们集成到现有的制造工艺和设备中，从而进一步简化供应链，这可能具有额外的可持续性优势。

研究人员发现，他们的特殊层状镍酸盐表现出热重入结晶相变化。这是指当材料在加热和冷却时经历三个结晶相之间的可逆转变时发生的一种相变。

该论文的另一位作者 Tomoteru Fukumura 表示：“基本上，这种材料在加热和冷却时可以在三相之间多次来回切换。”

这与典型的相变相反，典型的相变是不可逆的，并且在材料加热或冷却时仅发生一次。研究中在层状镍酸盐中观察到的热重入相变非常重要，因为它能够实现电阻率的可逆切换，而且最重要的是，在室温下，这允许使用这种类型的材料，以及在日常应用中。

该研究还揭示了室温电阻率可逆切换所涉及的具体机制，这可能对任何依赖非易失性存储器的设备产生重要影响，这些设备比本研究的特定材料更广泛地依赖非易失性存储器。