錫的大作用：創造性價比更高的存儲器

由於錫在易拉罐中的廣泛使用而被人們所熟知，而這有助於提高世界的數據需求。美國能源部（DOE）阿貢國家實驗室（ANL）的科學家團隊正在研究如何用錫作硅的友好材料，以幫助創造新的高性價比的存儲設備。最近在固態存儲器元件研究中發現的新候選產品，能夠提供等價於銅或銀等常見元素相同的性能優勢，但與硅兼容（是一種納米級，且硅兼容錫的電阻開關存儲器）。

該圖顯示了科學家們所研究的交叉桿陣列設計，即垂直、水平的電極與紅色記憶單元相交。單個存儲器單元「飛出」的是其分子結構的模型，其中錫（圖中的金球）通過絕緣HfO2層（圖中藍色和白色矩陣）擴散。在這種電阻開關結構中，每個元件對於在金屬-絕緣體-金屬疊層上形成燈絲是必不可少的。（圖片來源：阿貢國家實驗室）

我們的需求是廉價，快速，非易失性，高能效和可擴展的固態存儲器。其中導電橋隨機存儲儲存器有望滿足這些要求。

這種存儲器件是由金屬，絕緣體，金屬三層一層層堆疊構成的。它在關閉狀態下，絕緣體可以防止電子從第一層金屬（陽極）傳導到第二層金屬（陰極）。在外部電壓觸發的導通狀態下，絕緣體由於形成了由陽極的陽離子（帶正電離子）構成的金屬橋而降低了電阻，並允許電子由第一層金屬傳導到第二層金屬。陽離子橋保持嵌入絕緣體中並存儲信息單元直到電壓轉變，這樣，電壓就會溶解電橋並刪除信息，使存儲器恢復到原始狀態。

銀或銅通常扮演橋樑建造者的角色。這些金屬由於快速擴散的特性，可以通過延伸細絲構建橋樑。缺點是它們迅速擴散到硅中會污染周圍的硅電路。為了解決這個問題，製造商將設備與屏障或襯墊分開，但這又增加了固態存儲器的生產成本。

Argonne納米科技部常駐合作夥伴Sushant Sonde和納米科技部門和納米材料中心 (CNM) 主任Supratik Guha發現，錫的擴散速度足以延伸成常常的長絲。他們兩人和他們的研究團隊都收到了芝加哥大學分子工程研究所的任職要求，其中Guha還是一名教授。並且，由於錫與硅相容的化學性質，因此並不會污染硅。

硅和錫屬於同一原子團。它們最外層電子數相等並且可以形成相同類型的化學鍵，而銅和銀屬於不同的原子團。

「與硅相比，錫等價於與硅，並且錫在硅中的較慢擴散速率為科學家們提供了靈活性，可以設計出與當今工業中使用的半導體技術兼容的系統。」Sonde解釋說。

研究人員是如何知道錫是表現如此之好的？

首先，在CNM的科學家Subramanian Sankaranarayanan的協助下，他們創建了一個預測框架，主要通過使用CN，CNM的高性能計算集群來計算絕緣層中不同金屬的擴散速率。結果驗證了銀和銅的性能並預測了錫的性能。該團隊的新型預測框架不僅證明了標準電極金屬（銀和銅）的選擇，而且還允許檢測其他候選金屬。

接下來，他們在CNM的半導體製造無菌室中以3-D「橫杆」架構製造了錫，銀和銅的測試結構。這種架構允許3-D設備，因為結構向上分層而不是向外，從而可以節省空間。

該團隊使用CNM的新型超快半導體參數分析儀，可變溫度電探針台和電子顯微鏡以及X射線技術等表徵工具比較了新設備中銀，銅和錫的表現。

與標準材料相比，錫在高熱應力下也具有良好的速度和穩定性。錫電極的高熱性能，證實了框架對性能最佳的電極金屬的預測。

Sonde說：「該協議對未來框架的應用很有用，我們可以根據我們的標準微調內存設備的性能或探索出更新更好的性能。」

該團隊研究了長絲如何隨時間演變並測量長絲形成的時間。利用這種罕見的追蹤方式表明，存儲器件內部的工作性能，臨界時間不僅取決於金屬的類型，還取決於局部微結構的差異。

文章來源於nanowerk.com網站，由材料科技在線團隊編譯，原文題目：Tin type

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！