信息存儲器的發(fā)展，在很長一段時間內(nèi)都遵循摩爾定律，即在價格不變的情況下，每隔18個月，集成電路中可容納的晶體管數(shù)量及其性能便會提升一倍。自2000年以來，為滿足人們對數(shù)據(jù)存儲密度和存取速度日益增高的需求，微電子工業(yè)已將構(gòu)成芯片的存儲元件的尺寸從130納米減小至目前的45納米。到2018年，硅基半導(dǎo)體將達(dá)到16納米的物理極限。
陳彧介紹說，超出這個極限，晶體管會發(fā)生漏電，集成電路里相鄰存儲單元間也會相互影響，存儲器件的可靠性和穩(wěn)定性都將大受影響。此外，硅基器件制備存在設(shè)備昂貴、光刻工藝和周邊集成電路復(fù)雜、二維存儲密度有限等問題。
“當(dāng)我們從‘微電子’時代步入‘納電子’時代，在開發(fā)下一代存儲技術(shù)時，需要引進(jìn)全新的概念、材料和技術(shù)，新材料始終是現(xiàn)代電子工業(yè)的基礎(chǔ)和關(guān)注的重點。”陳彧表示。
陳彧告訴《中國科學(xué)報》，以高分子材料制備阻變存儲器件，為超大規(guī)模集成電路的發(fā)展提供了一個新的思路。與硅基材料相比，高分子材料有明顯優(yōu)勢，它容易加工、成本低、功耗小、重量輕、體積小、存儲密度高，可以三維堆積，甚至可大面積“刷涂”在玻璃、塑料和集成電路上，還能根據(jù)需要對分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行精心剪裁，調(diào)控材料和相應(yīng)器件的存儲性能。
不過，高分子材料要勝任阻變存儲器件的角色，必須具有可用來實現(xiàn)二進(jìn)制編碼和數(shù)字信息存儲的電雙穩(wěn)特征。簡單地說，就是當(dāng)在材料薄膜兩邊施加一個足夠大的外電壓時，器件可由低導(dǎo)電狀態(tài)（OFF）轉(zhuǎn)變?yōu)楦邔?dǎo)電狀態(tài)（ON）。如果撤銷外電場后還可繼續(xù)穩(wěn)定地保持OFF或ON態(tài)，說明器件有記憶性能，有望成為存儲器件。如果通過外界刺激能將器件從ON態(tài)恢復(fù)到OFF態(tài)，則器件具有可擦寫性。
“這里的OFF態(tài)和ON態(tài)相當(dāng)于二進(jìn)制系統(tǒng)中的‘0’態(tài)和‘1’態(tài)，外加電信號相當(dāng)于對信息的寫、讀或者擦除等操作。”陳彧表示。
為達(dá)到這些目標(biāo)，在過去3年里，陳彧課題組以石墨烯及其衍生物為構(gòu)筑單元，先后創(chuàng)新設(shè)計和制備了一系列具有可擦寫存儲或一次寫入多次讀出功能的新型功能高分子信息存儲材料，提出了“納米預(yù)自組裝”方法制備存儲器件和提高器件穩(wěn)定性的新思路，在《先進(jìn)材料》、《美國化學(xué)會志》等期刊上發(fā)表論文16篇，研發(fā)的新型存儲材料在啟動電壓、開關(guān)比、熱穩(wěn)定性、維持時間、讀寫循環(huán)、存儲密度等多項關(guān)鍵指標(biāo)上有所突破，部分指標(biāo)接近或達(dá)到實際應(yīng)用技術(shù)的需求。
