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為了讓粘貼式顯示器、智能繃帶和廉價(jià)的柔性塑料傳感器真正起飛，它們需要某種可以建立在塑料上的長(zhǎng)期存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的方法?！霸谌嵝噪娮赢a(chǎn)品的生態(tài)系統(tǒng)中，擁有內(nèi)存選項(xiàng)非常重要，”斯坦福電氣工程教授 Eric Pop 說(shuō)。
但是現(xiàn)在的非易失性存儲(chǔ)器的版本，如閃存，并不適合。因此，當(dāng) Pop 和他的工程師團(tuán)隊(duì)決定嘗試將一種相變存儲(chǔ)器應(yīng)用于塑料時(shí)，他們認(rèn)為這將是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程。他們想出了一個(gè)驚喜——一種實(shí)際上更好用的記憶，因?yàn)樗墙⒃谒芰仙系?。這類設(shè)備的關(guān)鍵特性是重置內(nèi)存所需的能量，比以前的柔性版本低一個(gè)數(shù)量級(jí)。他們?cè)诒局艿摹犊茖W(xué)》雜志上報(bào)道了他們的發(fā)現(xiàn)。
相變存儲(chǔ)器(PCM) 并不是塑料電子產(chǎn)品的明顯優(yōu)勢(shì)。它將其位存儲(chǔ)為電阻狀態(tài)。在其結(jié)晶相中，它具有低電阻。但是通過(guò)設(shè)備運(yùn)行足夠的電流會(huì)使晶體熔化，然后使其凍結(jié)在電阻更大的非晶相中。該過(guò)程是可逆的。重要的是，特別是對(duì)于實(shí)驗(yàn)性的神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)，PCM可以儲(chǔ)存中間水平的抗性。所以一個(gè)設(shè)備可以存儲(chǔ)不止一位的數(shù)據(jù)。
不幸的是，通常使用的材料在像塑料這樣的柔性基材上不能很好地工作。問(wèn)題是“編程電流密度”:基本上，你需要泵入多少電流通過(guò)一個(gè)給定的區(qū)域，以加熱到發(fā)生相變的溫度?可彎曲塑料的不平整表面意味著使用普通材料的PCM電池不能像硅電池那樣小，需要更多的電流來(lái)達(dá)到相同的開(kāi)關(guān)溫度。
你可以把它想象成試圖在門開(kāi)著的烤箱里烤餡餅。它會(huì)起作用，但需要更多的時(shí)間和精力。波普和他的同事正在尋找關(guān)閉烤箱門的方法。
他們決定嘗試一種叫做超晶格的材料，這種材料是由不同材料的納米厚的重復(fù)層組成的晶體。2011年，日本筑波國(guó)家應(yīng)用產(chǎn)業(yè)科學(xué)與技術(shù)研究所的Junji Tominaga和研究人員報(bào)告了由鍺、銻和碲組成的超晶格有希望的結(jié)果。通過(guò)研究這些超晶格，Pop和他的同事得出結(jié)論，它們應(yīng)該是非常隔熱的，因?yàn)樵谄渚w形式中，層與層之間存在原子級(jí)的間隙。這些“范德瓦爾斯式間隙”既限制了電流的流動(dòng)，更重要的是，也限制了熱量的流動(dòng)。所以當(dāng)電流被迫通過(guò)時(shí)，熱量不會(huì)很快從超晶格中流失，這意味著從一相轉(zhuǎn)換到另一相需要更少的能量。
電流被氧化鋁的孔狀結(jié)構(gòu)限制在超晶格中。這使得加熱效率更高，因此內(nèi)存可以使用更少的能量切換狀態(tài)。AI KHAN 和 A. DAUS
但是超晶格的工作并不是輕而易舉的?！拔覀儙啄昵熬烷_(kāi)始做了，但我們真的很掙扎，幾乎放棄了，”Pop說(shuō)。波普解釋說(shuō)，如果范德華間隙相互平行，層與層之間沒(méi)有主要的混合，超晶格就能工作。但所涉及的材料沉積設(shè)備的特性意味著，“僅僅因?yàn)樗麄冊(cè)谌毡景l(fā)布了參數(shù)，并不意味著你可以在帕洛阿爾托的工具中使用它們?！?/p>
與 Pop 合作的博士生Asir Intisar Khan不得不通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)的過(guò)程，其中涉及 100 多次嘗試產(chǎn)生具有正確范德瓦爾斯間隙的超晶格。
由碲化銻和碲化鍺交替層形成的超晶格結(jié)構(gòu)。層與層之間形成范德瓦爾斯式的間隙，限制了電流和熱量的流動(dòng)。K. YAMAMOTO 和 AI KHAN
研究人員通過(guò)將電流限制在一個(gè)600納米寬的孔狀結(jié)構(gòu)中來(lái)保持存儲(chǔ)設(shè)備中的熱量，該結(jié)構(gòu)被絕緣的氧化鋁包圍。最后一層絕緣層是塑料本身，它比PCM通常建立在其上的硅更好地抵抗熱量流動(dòng)。完成的器件的電流密度約為0.1兆安培每平方厘米，大約比傳統(tǒng)的硅PCM低兩個(gè)數(shù)量級(jí)，比以前的柔性器件好一個(gè)數(shù)量級(jí)。此外，它還表現(xiàn)出四穩(wěn)定的電阻狀態(tài)。所以它可以在一個(gè)設(shè)備中存儲(chǔ)多個(gè)數(shù)據(jù)位。
在塑料上建造設(shè)備實(shí)際上會(huì)改善情況，這并不是團(tuán)隊(duì)所計(jì)劃的。擁有柔性電子專業(yè)知識(shí)的實(shí)驗(yàn)室博士后研究員Alwin Daus說(shuō)，該團(tuán)隊(duì)假設(shè)，超晶格和襯底之間的氮化鈦電極將限制熱損失，因此襯底不會(huì)影響存儲(chǔ)操作。但后來(lái)的模擬證實(shí)，熱滲透到塑料襯底，塑料襯底的導(dǎo)熱系數(shù)比硅襯底低。
Khan說(shuō)，本周報(bào)告的工作證明了在柔性表面上低功率存儲(chǔ)的概念。但隔熱的重要性也適用于硅器件。該團(tuán)隊(duì)希望通過(guò)進(jìn)一步縮小孔徑和使設(shè)備兩側(cè)更加絕緣來(lái)改進(jìn)該設(shè)備。模擬已經(jīng)表明，將氧化鋁壁加厚可以減少達(dá)到開(kāi)關(guān)溫度所需的電流。研究人員還將研究其他可能具有更好性能的超晶格結(jié)構(gòu)。
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