► 研究者工作的實驗室一角，圖片來自王玥
撰文 | 沁 園
知識分子為更好的智趣生活 ID：The-Intellectual
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當今的電子產品想要存儲數據，無非是通過兩類途徑：第一類是易失性存儲，例如計算機的內存，掉電後數據會立即消失；第二類是非易失性存儲，比如人們常用的U盤，在寫入數據後無需額外能量可保存信息10年。
然而，這兩類存儲技術各有各的問題。易失性存儲速度快，但是保存期限短。非易失性存儲雖能滿足數據存儲年限的要求，可寫入速度卻足足慢了幾千倍。
針對這一難題，復旦大學張衛、周鵬團隊利用顛覆性的二維半導體器件，開創了第三類存儲技術，讓“寫入速度”與“非易失性”二者兼得，相關成果以《用於準非易失應用的範德瓦爾斯結構半浮柵存儲》為題，在線發表於《自然·納米技術》雜誌。
比U盤快一萬倍，數據有效期可私人訂製
相信許多人都被U盤或移動硬盤“鍛鍊”過耐心，這是因為傳統的非易失性存儲技術需要幾微秒到幾十微秒才能把一單位的數據保存下來。相比之下，易失的半導體電荷存儲技術只用幾納秒就能做到（1微秒=1000納秒）。
► 圖. 用於準非易失應用的範德瓦爾斯結構半浮柵存儲。劉春森博士生和周鵬教授為共同第一作者，張衛教授和周鵬教授為通訊作者。
而此次，復旦大學研發的新型電荷存儲技術已經可以達到10納秒的數據寫入速度。這意味著，其傳輸速度比普通U盤快了近乎一萬倍，數據刷新時間也是內存技術的156倍。與此同時，數據在寫入之後保存年限非常久。即使無外界能量輸入，信息也可以保存最多10年。不僅如此，數據的存儲時長甚至實現了按需定製：人們可以自主設置數據信息在設備中的存儲時間，最短10秒，最久10年，過期就自動消失。這些全新特性不僅在高速內存中可以極大降低存儲功耗，同時還可以實現數據有效期截止後自然消失，在特殊的保密場景中有極大的應用價值。
二維材料新組合：電子在“開門”與“撞牆”間的藝術
面對如此新穎的第三類存儲技術，該論文的評審人也稱其為“鬼斧神工”的技藝。那麼，這樣的成就又是如何實現的？
存儲技術時效性的關鍵，在於對電子的管控。要想傳輸速度快，就要讓電子快速進入。而要想數據保存時間久，就要讓電子牢牢鎖住。復旦大學研究人員認為，要實現快速、長久的保存，存儲材料應當“一部分如同一道可隨手開關的門，電子易進難出；另一部分則像一面密不透風的牆，電子難以進出。對‘寫入速度’與‘非易失性’的調控，就在於這兩部分的比例。”論文作者周鵬介紹道。
為此，他們選擇了多種二維材料，堆疊構成了半浮柵結構晶體管。在存儲器中，二硫化鉬等材料分別用於開關電荷輸運和儲存，而氮化硼被作為隧穿層，以製成階梯能谷結構的“範德瓦爾斯異質結（二維材料堆疊後，分子間作用力使其形成的結構）。”正是這幾種二維材料全新組合，充分發揮了二維材料的豐富能帶特性，將第三類存儲技術變為現實。
如人們所知，二維材料發軔於石墨烯的發現。這種材料在平面內存在強有力的化學鍵鍵合，而層與層之間則依靠分子間作用力堆疊在一起。同時，它也是一個兼有導體、半導體和絕緣體的完整體系。因此，二維材料在存儲技術研發領域有著極大的潛力。
實際上，該研究團隊也很早意識到了這一點。在2017年時，他們就已經發現二維材料製作的半導體有許多“奇異新特性”。此次，他們將之前的發現進一步深化，首創了新一代存儲技術，這或許在不久的未來會深刻改變人們對數據的儲存方式。
正如這篇文章評審人所言：“這項工作具有極強的時效性，也是範德瓦爾斯異構結構器件發展的一個重要里程碑。器件設計提升了範德華異質結構電子應用領域的最高技術水平。”
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Zhang DW, Zhou P et al. A semi-floating gate memory based on van der Waalsheterostructures for quasi-nonvolatile applications. 2018. Nature Nanotechnology. DOI: 10.1038/s41565-018-0102-6.
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