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科学家们在非易失性相变存储器——一种即使断电也能存储数据的电子存储器——的开发上取得了突破，而这种材料从未表现出这种存储器所需要的那种特性。
到目前为止，相变存储器主要是使用硫族化合物开发的，硫族化合物是一组已知的材料，当它们在晶体和非晶态之间转换时表现出可逆的电变化。
但如果有更好的材料呢?
在2023年9月3日发表在《高级科学》杂志上的一项研究中，研究人员报告了层状镍酸盐室温电阻率的热可逆开关，可能提供更好的性能和卓越的可持续性。
层状镍酸盐是一类由镍离子组成的复杂氧化物材料。它们呈现出层状结构，其中镍和氧原子的平面点缀着含有其他元素的层，通常是碱土或稀土元素。由于其电子的有趣特性，其独特的分层排列引起了研究人员的兴趣，在超导和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是由“岩盐”结构排列的锶、铋和氧原子层组成的，与钙钛矿结构中的锶、镍和氧原子分子层相互交错。钙钛矿是由两个带正电的原子和一个带负电的原子组成的特殊晶体结构定义的，并且具有许多有趣的特性，从超导性到铁电性——一种自发的电极化，可以通过施加电场来逆转。
后一种特性对于非易失性相变存储器来说是特别有趣的，因为后者依赖于材料以可逆的方式在两种电阻率状态之间切换的能力。
“我们想知道是否可以在热上实现类似的可逆性，”该研究的合著者、日本东北大学(Tohoku University)的材料科学家Hideyuki Kawasoko说。
这种可逆性已经在各种硫族化合物中得到了证明——任何由元素周期表第16族元素(如硫、硒和碲)形成的化合物，但在过渡金属氧化物(氧和元素周期表中间部分的任何元素的化合物，特别是第3到12族)中还没有——至少到目前为止是这样。
这一点很重要，因为虽然硫族化合物已经被证明对许多相变存储器应用是有效的，但与一些硫族化合物相比，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。这可能会使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合物更丰富，这可以降低成本并提高可持续性。过渡金属氧化物已经广泛应用于电子、传感器和相关应用中。如果它们可以适应新的功能，比如相变存储器，那么将它们集成到现有的制造工艺和设备中可能会更容易，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一种热重入晶体相变。这是一种相变，当材料在加热和冷却时经历三种晶相之间的可逆转变时发生。
该论文的另一位作者Tomoteru Fukumura说:“基本上，这种材料可以在加热和冷却的过程中多次在这三个阶段之间来回切换。”
这与典型的相变相反，后者是不可逆的，只在材料加热或冷却时发生一次。在研究中，在层状镍酸盐中观察到的热重入相变具有重要意义，因为它可以实现电阻率的可逆切换，而且至关重要的是，在室温下，这允许使用这种材料开发多级非易失性相变存储器，并在日常应用中。
该研究还揭示了室温电阻率可逆开关的具体机制，这可能对任何依赖非易失性存储器的设备具有重要意义，而不是本研究的特定材料。
更多信息:Kota Matsumoto等人，钙钛矿衍生物镍酸盐的热可重入晶体相变使室温电阻率可逆开关，Advanced Science(2023)。DOI: 10.1002 / advs.202304978期刊信息:Advanced Science
由东北大学提供
引用:新材料提供更耐用，可持续的多级非易失性相变存储器(2023年9月6日
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