柔软分层材料有望实现下一代数据存储

一种在压力下会发生巨大变化的柔软分层材料有朝一日可以帮助计算机以更少的能量存储更多的数据。

这是华盛顿州立大学和北卡罗来纳大学夏洛特分校研究人员的一项新研究的成果。该研究表明，一种混合碲化锌基材料在像分子三明治一样被挤压在一起时，会发生令人惊讶的结构变化。这些变化可能使其成为相变存储器的有力候选材料。相变存储器是一种超快速、持久的数据存储方式，其工作方式与当今设备中的存储器不同，并且不需要恒定电源。

这项研究得益于一台价值超过100万美元的X射线衍射系统，该系统于2022年在默多克慈善信托基金的支持下购置。这台专用设备可以让研究人员实时观察材料中微小的结构变化——所有这些都在华盛顿州立大学普尔曼校区进行。通常，这类实验需要在大型国家级设施（例如加州伯克利国家实验室的先进光源）上进行。

“能够在校园里进行这些高压实验，让我们能够灵活地深入研究正在发生的事情，”华盛顿州立大学物理学教授、AIP Advances研究论文合著者马特·麦克拉斯基 (Matt McCluskey) 说。“我们发现，这种材料不仅仅是被压缩了，它实际上在很大程度上改变了其内部结构。”

这种名为β-ZnTe(en)₀.₅的材料由交替排列的碲化锌和一种名为乙二胺的有机分子构成。麦克拉斯基将其结构比作三明治。“想象一下一层又一层的陶瓷和塑料层层叠加，”他说，“当你施加压力时，柔软的部分比坚硬的部分更容易塌陷。”

研究人员利用金刚石压砧（一种能够施加极压的装置）和新的X射线系统，发现该材料在相对较低的压力（2.1和3.3千兆帕）下经历了两次相变。在这两种情况下，结构都发生了显著变化，收缩幅度高达8%。

华盛顿州立大学物理学博士生、该研究的主要作者朱莉·米勒解释说，相变是指材料在原子层面上改变其结构的过程——就像水变成冰或蒸汽一样。在这种情况下，变化发生在两种固态之间，相同的原子重新排列成更致密的结构。这类转变可以显著改变材料的物理性质，包括其导电或发光方式。由于不同的结构相通常具有不同的电学和光学特性，科学家们认为它们可以用来编码数字信息——这正是相变存储器背后的原理。

“大多数这类材料需要巨大的压力才能改变结构，但这种材料在纯碲化锌通常所见压力的十分之一下就开始转变了，”米勒说。“这正是这种材料如此有趣的原因——它在低得多的压力下就能表现出巨大的效应。”

研究人员还发现，这种材料在不同方向的挤压下，其行为表现会截然不同。这种方向敏感性，加上其层状结构，使其更具可调谐性，并为其更多用途打开了大门。

除了存储器之外，这种材料还可以应用于光子学，即利用光而不是电来传输和存储信息。由于这种材料会发出紫外线，研究人员怀疑其发光可能会根据其相位而变化——这可能使其在光纤或光学计算领域也大有用途。

虽然 β-ZnTe(en)₀.₅ 作为潜在的商业存储材料还处于早期阶段，但这一发现标志着向前迈出了一大步。

“我们才刚刚开始了解这些混合材料的作用，”米勒说。“我们能够在校园里用设备观察到这些变化，这让我们更加兴奋。”

接下来，该团队计划研究这种材料如何响应温度变化，并探索在施加压力和热量时会发生什么情况——构建其行为和可能性的更完整图谱。

这项研究名为“静水压力下 β-ZnTe(en)₀.₅ 的相变”，由美国能源部资助。