相分离，类似于油和水分离的方式，与氧扩散协同作用，帮助忆阻器——通过电阻保持信息的电子元件——在断电后保持数据，据一项新研究所述。
相分离，类似于油和水的不可混合性，结合氧扩散，使忆阻器——利用电阻存储信息的设备——即使在断电时也能保存数据，这一点由密歇根大学主导的研究所表明并发表在《Matter》期刊上。
到目前为止，关于忆阻器如何在不需要电力的情况下保存信息（称为非易失性存储）的确切机制尚未被完全理解，因为观察到的模型和实验结果往往没有相关性。
“实验表明，这些设备可以保存信息超过十年，而现有模型则表明它们只能保存数小时，”该研究的主要作者、密歇根大学材料科学与工程博士毕业生李静贤表示。
为了加深对非易失性忆阻器记忆现象的理解，研究人员研究了一种称为电阻随机存取存储器（RRAM）的设备，这是一种作为传统计算中使用的易失性RAM的替代方案，并在节能人工智能应用中显示出巨大潜力。
分析的特定RRAM是一种丝状价态变化存储器（VCM），由夹在两个铂电极之间的二氧化钽绝缘层构成。通过对铂电极施加一定电压，形成一个导电丝状结构，形成带有钽离子的桥梁，允许电流流动，将系统置于代表二进制“1”的低电阻状态。相反，当施加不同的电压时，丝状结构溶解，返回的氧原子与钽离子反应，实际上“生锈”了导电桥，并将其恢复到代表二进制“0”的高电阻状态。
最初，人们认为RRAM能够随着时间的推移保持信息，因为氧扩散太慢。然而，一系列新的实验发现了相分离的重要性，这一点在之前的模型中被忽视。
“在这些设备中，氧离子倾向于避免丝状结构，并且即使在很长时间后也不会扩散回来。这种行为类似于油和水永远不会混合，不论时间过去多久，因其分离状态下的能量水平较低，”李懿扬，密歇根大学材料科学与工程助理教授和该研究的高级作者解释道。
为了研究保持时间，研究人员通过升高温度来加速实验。例如，在250°C下持续一个小时的实验相当于在85°C下持续近100年——这是计算机芯片的标准工作温度。
凭借原子力显微镜的高分辨率成像技术，研究人员捕捉到宽约五纳米（约20个原子厚）的丝状结构的图像，这些结构位于宽一个微米的RRAM设备内。
“在设备中找到丝状结构让人惊讶；这就像在干草堆中找到一根针，”李评论道。
团队发现，不同大小的丝状结构表现出不同的保持特性。小于约5纳米的丝状结构随着时间的推移而衰减，而大于5纳米的丝状结构则变得更为坚固。这种与大小相关的变化不能仅仅归因于扩散。
结合实验结果和包含热力学原理的模型表明，导电丝状结构的形成和稳定性受到相分离的影响。
研究团队利用相分离将记忆保持从单日提高到超过10年，在一种抗辐射的记忆芯片中——一种旨在承受辐射暴露的设备，适合空间任务。
潜在的应用包括用于更节能的人工智能解决方案的内存计算和用于电子皮肤的存储设备——一种旨在复制人类皮肤感官功能的柔性电子层。这种电子皮肤可能会为假肢提供感官反馈，贡献新型可穿戴健身追踪器，或帮助机器人开发用于精细任务的触觉感知。
“我们希望我们的发现能激励在信息存储设备的设计中创新性地利用相分离，”李补充道。
该研究的合作者包括来自福特研究院、橡树岭国家实验室、阿尔巴尼大学、纽约CREATES、桑迪亚国家实验室和亚利桑那州立大学的研究人员。该设备是在Lurie纳米加工设施制造的，并在密歇根材料表征中心进行了分析。密歇根大学的研究主要由国家科学基金会（ECCS-2106225）资助。
