美國加州大學(xué)柏克萊分校與國家實驗室的研究人員正著手打造一種分子大小的形變記憶體技術(shù)，它只需要幾個原子，就可以將0與1當做形狀進行儲存，而且能搭配未來的原子級處理器…

隨著互補式金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)接近原子級，一種分子大小的形變(shape-changing)記憶體技術(shù)正日趨完善，從而可逆地改變二碲化鉬(MoTe2)的晶格結(jié)構(gòu)。

根據(jù)美國加州大學(xué)柏克萊分校(UC Berkeley)教授兼羅倫斯柏克萊國家實驗室(LBNL)材料科學(xué)處長張翔表示，這種途徑僅需要幾個原子，就可以將0與1當做形狀進行儲存，從而實現(xiàn)能夠儲存機械材質(zhì)的固態(tài)記憶體，而且能夠搭配未來的原子級處理器。

該技術(shù)使用電子注入方式——而非依電荷、自旋或任何短暫數(shù)量來編碼記憶體，而能夠在可逆的過程中改變MoTe2的晶格結(jié)構(gòu)。根據(jù)張翔解釋，透過電刺激重新安排原子結(jié)構(gòu)，改變了材料的特性，從而能使用較轉(zhuǎn)移化學(xué)特性所需的更少能量來形成與感應(yīng)0與1，或是像在相變(phase-change)記憶體中一樣以熱感應(yīng)躍遷。

實現(xiàn)這個過程的關(guān)鍵在于使用過渡金屬二硫?qū)倩?TMD)——在此情況下，MoTe2的原子級單層薄膜使其內(nèi)部晶格結(jié)構(gòu)得以透過在兩穩(wěn)態(tài)之間轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)的電子脈沖加以改變。張翔聯(lián)手其于UC Berkeley和Berkeley國家實驗室的研究人員共同研究，在他們所使用的MoTe2薄膜例子中，兩種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)是對稱的2H排列，與其相對的是1T結(jié)構(gòu)。

未來的記憶體可以采用電子注入方式，可逆地改變2D半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)。在兩電極之間夾層一個原子級的MoTe2薄膜單層，并以儲存電荷的離子液滴加以覆蓋。 當施加較小的電壓時，電子被注入，從而使其從對稱(2H) 結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成傾斜的(1T)排列。

柏克萊的研究人員們目前正嘗試使用各種不同的TMD作為目標材料，以實現(xiàn)其形變晶格結(jié)構(gòu)的電子注入法，但MoTe2由于兼具可加以改變的電子和光子特性而較受青睞。研究人員的目標在于創(chuàng)造一個“設(shè)計薄膜”庫，可用于電腦和光學(xué)應(yīng)用，包括太陽能電池板。

在2D、單層TMD薄膜中，能以電子方式改變電和光的特性，包括電阻、自旋傳輸，以及Berkeley研究方法所使用與相位有關(guān)的形狀改變等。

張翔表示，研究人員的驗證概念使用了“靜電摻雜”電子(而非原子)，用于作為摻雜劑。而在以離子液體涂覆MoTe2單層之后，研究人員運用注入的電子摻雜劑以改變晶格的形狀，據(jù)稱能夠打造出毫無缺陷的材料。由此所產(chǎn)生的1T結(jié)構(gòu)是傾斜且金屬的，使其易于與半金屬結(jié)構(gòu)的2H原子晶格排列方式有所區(qū)隔。透過施加較低電壓以移除摻雜的電子，從而恢復(fù)了原始的2H結(jié)構(gòu)。

美國能源部(DoE)贊助了這項研究計劃。DoE的基礎(chǔ)能源科學(xué)辦公室執(zhí)行傳輸研究，而其能源轉(zhuǎn)換先進研究中心(Energy Conversion Frontier Research Center;EFRC)的光物質(zhì)互動(Light-Material Interactions;LMI)進行光學(xué)測量。DOE EFRC和美國國家科學(xué)基金會(NSF)透過裝置設(shè)計和制造為該計劃提供支援。中國的清華大學(xué)(Tsinghua University)提供了參考資料、史丹佛大學(xué)(Stanford University)的研究人員也做出了貢獻。此外，還有來自陸軍研究辦公室、海軍研究辦公室、NSF和史丹佛大學(xué)研究生獎學(xué)金的資助。