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國立成功大學

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成大研發光控多位元記憶材料 登上國際頂尖期刊Nature Materials

左起楊展其、劉懿德、陳宜君
左起楊展其、劉懿德、陳宜君
成大物理系陳宜君教授
成大物理系陳宜君教授
成大物理系楊展其助理教授
成大物理系楊展其助理教授
發展智慧科技為全球趨勢,其中大數據是關鍵,海量資料的儲存更是極重要的環節。成大物理系楊展其助理教授與陳宜君教授帶領研究團隊,研發出相當罕見的光調控多元記憶材料-鐵酸鉍(BiFeO3),其特殊性在於一個儲存單元可以含有高達8種排列組合的記憶狀態,顛覆現行電腦一個儲存單元只有0與1兩種狀態的限制。多元記憶體概念未來發展將使得資料儲存空間大大擴增,初估至少較現行的記憶儲存基礎提高4倍儲存量。研究成果大受矚目,登上5月國際頂尖期刊Nature Materials (自然材料)。

這種多元記憶的概念可在一個位元的面積上同時儲存N位元的資料,將摩爾定率的尺寸極限上進行了N倍的延伸,大幅提升硬碟與記憶體儲存資料的密度與效率,體積也能有效縮減,一旦廣泛使用,對資訊科技發展的影響不言可喻。全新的多元記憶材料,較現行的記憶儲存基礎提高4倍儲存量,體積縮減並連帶降低能源消耗。可以預見,多元記憶體概念進一步發展將使電腦更為輕巧,未來不再需要經常清空手機、電腦空間;個人行動裝置、筆電等資料儲存空間大幅擴增,等同個人的雲端站,不需要再額外租用雲端空間,將可能促使雲端租用價格下降。

楊展其指出,傳統硬碟與快閃記憶體材料因物理上的限制,為了提升儲存資料的密度,只能不斷縮小記憶體單元,目前記憶體單元製程微縮技術已進入奈米階段,終會達到極限,一定得設法突破,而這也是未來資訊科技持續發展的關鍵。若能掌握大容量、小型化、節能等儲存技術,再搭配高速運算,便能建立超高效能的計算平台,對於積極發展中的物聯網、人工智慧、雲端運算、大數據分析,都將帶來極正面的助益。

這項創新研究成果為楊展其、陳宜君帶領博士生劉懿德、吳沅致與碩士邱宇祐等成員,前後費時近2年時間共同完成。「能夠成功地研發出光調控多元記憶材料,突破性的思維很重要」。楊展其透露,至今沒有任何高密度記憶電子元件材料是採用光控制,團隊一開始,只是想研究能否以光去控制材料的功能性(例如改變電阻)。長期以來,科學界已知能透過外加的磁場或電場,去控制多鐵性材料鐵酸鉍的功能性,卻從沒研究過如何利用光來控制鐵酸鉍的多元特性,這也給了團隊新的思考方向─「沒想過不代表不能夠,還是大膽一試。」

成大團隊的研究,不只讓調控鐵酸鉍材料功能的選擇由磁場、電場,又新增了光調控,在元件設計上提供更多的自由度,大幅提高鐵酸鉍整體的應用性與價值。團隊一開始藉由先進的雷射分子束磊晶技術,將鐵酸鉍原本不易調控的菱方晶結構,設計成容易調控的單斜晶結構,以增加光調控材料功能的可行性。經過1年多不斷反覆實驗,終於突破性的做到讓鐵酸鉍材料可受光照控制。也發現,改變結構狀態的鐵酸鉍與未改變相較,對外加的電場或磁場反應更為靈敏。

具備鐵有序性的材料,很適合做為儲存資料的記憶媒介,團隊在鐵酸鉍上實現了光調控材料功能性的夢想後,又從實際上常遇到的資料儲存空間不夠用的問題,進一步探討,能否用光調控方式,在鐵酸鉍材料上非揮發式地儲存資料(即便不插電,記憶的資料也不流失)。不像以磁場、電場調控寫入資料得額外於材料上進行複雜的電路製程,用光調控直接就能將資料寫入儲存,可說「材料即是元件」。此外,鐵酸鉍的記憶單元理論上可縮小至數個原子層級,利用此類材料來儲存資料,記憶單元較電場、磁場控制的記憶單元更小,相同的空間能夠儲存更高密度的資料。

鐵酸鉍能夠大幅提升資料儲存密度,關鍵在於其「多鐵性」的特性。陳宜君指出,目前電腦硬碟所用的材料為磁性金屬薄膜,只有一個鐵有序性,儲存單元只有0與1兩種排列組合。鐵酸鉍的多種鐵有序性,含鐵電、鐵磁與反鐵磁有序,理論上每個儲存單元可以一次紀錄8種排列組合,本研究的特殊性在於可進一步用光調控這些多鐵性。由於光是交變的電磁波,因此在傳統經驗中,光無法對材料重複的寫入不同記憶組態。成大團隊的突破關鍵性技術,可利用光照產生的局部形變進而控制鐵酸鉍中的多位元記憶組態。(撰文/孟慶慈 攝影/實習記者倪冠雲)
維護單位: 新聞中心
更新日期: 2019-05-22
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