過去數(shù)十年來，信息技術(shù)飛速發(fā)展，輻射了民防、航空、市場分析以及消費電子等眾多領(lǐng)域。到2020年，全球的數(shù)據(jù)總量將達到驚人的44 澤字節(jié) (zettabyte, ZB, 1 ZB = 1012 gigabyte,GB)，單單中國就產(chǎn)生了8 ZB的數(shù)據(jù)量。目前，占據(jù)全球存儲產(chǎn)業(yè)主導地位的是三星、英特爾、東芝等企業(yè)所青睞的閃存器件(flash memory)，我國的存儲產(chǎn)業(yè)廠商如武漢長江存儲、合肥長鑫存儲等企業(yè)（目前二者都已被美國盯上，有可能成為繼華為、中芯國際之后的下一個目標），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)展推動了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的繁榮，然而對超高密度信息存儲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，是基于硅基無機材料的晶體管結(jié)構(gòu)的存儲器件。想要提高器件的存儲密度，就必須減小單元器件的尺寸。然而，量子尺寸效應（當材料尺寸下降到納米級別時，材料熱、光、電、磁等性能會發(fā)生極大改變）的影響，以及極為高昂的生產(chǎn)成本和復雜的制備工藝，限制了傳統(tǒng)閃存器件的進一步發(fā)展。
如制備5 nm節(jié)點器件必須使用的極紫外光刻機，售價高達1億美元，且受美國制裁，無法賣給中國廠家，而國內(nèi)想要研發(fā)難如登天。
因此，不僅我國企業(yè)和各大高校，全球所有半導體產(chǎn)業(yè)都在研發(fā)新的存儲技術(shù)，一是避免遭遇目前我國半導體技術(shù)被狙擊的窘境，二則，全球存儲產(chǎn)業(yè)市場已經(jīng)超過了1100億美元，且年增長超過10%，大家都想來分一杯羹（我國份額尚不足5%，心酸）。
研究進展
早在1993年，佛羅倫薩大學的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℃）讓它幾乎無法在日常環(huán)境下實際應用。
近日，南京大學宋鳳麒教授、中國人民大學季威教授、廈門大學謝素原教授、東南大學王金蘭教授等國內(nèi)知名985高校與美國常春藤名校耶魯大學Mark?A.Reed教授、倫斯勒理工學院史夙飛教授合作，設(shè)計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，即實現(xiàn)存儲功能，從而推動了單分子存儲器件的開發(fā)與實際應用。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，且能夠在兩個能量穩(wěn)定的點之間相互轉(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。在兩個穩(wěn)定的離子點之間的能壘比熱能足夠高時，在這個溫度范圍內(nèi)，離子的點間（inter-site）運動就會受到限制，從而導致了半永久的分子極化。然而，這時如果對該單分子駐極體施加電場，就可以改變其單個離子點的能量，從而引起極化反轉(zhuǎn)的點間離子轉(zhuǎn)移。因此，單分子駐極體能夠在沒有長程偶極子有序（單分子磁體的相關(guān)機理）的情況下，表現(xiàn)出鐵電特性，如極化遲滯與自發(fā)極化。
作者通過理論計算與實驗觀察，證明在C82籠中，存在著兩個Gd離子穩(wěn)定點，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Gd@C82分子置于其中，制備了單分子存儲器件。
圖1?單分子駐極體存儲器
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)出可逆的庫倫-震蕩圖形。不同的電導表明存在著兩個穩(wěn)定的單電子傳輸（single-electron-transport）通道。此外，在極高的柵極電場（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）。
作者認為對C82籠中Gd位點的操縱導致了這種轉(zhuǎn)變行為。有趣的是，由于兩個穩(wěn)定的Gd@C82點并不對等，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。利用這種不對稱性，才能夠?qū)d@C82分子應用為存儲單元(圖1c)。當通過改變柵極電壓來調(diào)節(jié)Gd離子的位置時，就可以實現(xiàn)信息的存儲。再從源-漏電流測出Gd離子的位置，就可以讀取所存儲的信息。這種雙態(tài)轉(zhuǎn)變行為具有很高的可重復性，能夠穩(wěn)定運行超過一個月。
該研究主要包含兩個關(guān)鍵技術(shù)突破：
（1）?通過嚴謹?shù)膶嶒?，排除了任何可能的偶極子之間的耦合，從而證明真實的單分子駐極體確實存在。
（2）?利用非對稱的極化結(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)電流的有無來讀取信息，大大提高了設(shè)備的壽命。
在兩個不等價的分子極化態(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，該機制對未來集成光場或是磁場響應的單分子存儲器件提供了新思路。此外，與單分子磁體相比，單分子駐極體的非對稱能量結(jié)構(gòu)設(shè)計更加簡單，在存儲單元應用方向有著巨大優(yōu)勢。
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器提供了重要的原理證明。在國家大力發(fā)展半導體產(chǎn)業(yè)的浪潮下，希望全國半導體人能夠再接再厲，早日打破美日韓的封鎖，擺脫受制于人的窘境。
全文鏈接：
