- 首頁
- 資訊
Nat Mater：廈大洪文晶/謝素原團隊單個金屬富勒烯分子器件的存算一體操作研究重要進展
來源：廈門大學化學化工學院 2022-07-18
導讀：近日，廈門大學洪文晶教授課題組、謝素原教授課題組與英國蘭卡斯特大學Colin Lambert教授合作，在基于單個內(nèi)嵌金屬富勒烯分子的非易失性存儲器件及其存算一體應(yīng)用領(lǐng)域研究中取得重要進展，相關(guān)研究成果以“Room-temperature logic-in-memory operations in single-metallofullerene devices”（室溫下單個金屬富勒烯分子器件的存算一體操作）為題發(fā)表在Nature Materials（《自然·材料》）。
基于單個金屬富勒烯分子器件的非易失性存儲表征和存算一體操作以“摩爾定律”為標志的電子器件小型化趨勢是信息技術(shù)發(fā)展的重要驅(qū)動力，而伴隨著半導體器件特征尺寸逐步進入亞五納米制程，尺寸僅為幾個納米的單個分子也就成為了構(gòu)筑單分子電子學器件乃至分子邏輯電路的潛在材料。然而，雖然單分子電子學原型器件的理論預(yù)測已提出近50年時間，且國際高校和科研單位以及IBM等公司科研人員在該領(lǐng)域已進行了長期投入，但單分子器件仍難以實現(xiàn)邏輯運算功能。邏輯運算（布爾運算）在計算芯片設(shè)計中扮演著重要的基礎(chǔ)角色，在芯片中由晶體管組成的邏輯門器件是集成電路的基本單元。然而，由于單分子器件特別是在納米尺度需要集成三電極的單分子晶體管在近原子尺度制造的巨大技術(shù)挑戰(zhàn)，單分子器件組成的邏輯門電路迄今尚難以制備，導致基本的邏輯運算都難以實現(xiàn)，基于單分子器件的邏輯運算也就成為該領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸問題。更進一步的，伴隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，人工智能、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的廣泛使用對大量數(shù)據(jù)的存儲和計算提出了更高要求。現(xiàn)有傳統(tǒng)計算架構(gòu)主要采用存儲和運算單元分離的馮·諾依曼架構(gòu)，在大量數(shù)據(jù)處理時存在由于存儲和運算單元分離而造成的“存儲墻”問題。基于非馮·諾依曼架構(gòu)的“存算一體”技術(shù)通過將邏輯操作和數(shù)據(jù)存儲整合在同一器件單元，為滿足大量數(shù)據(jù)的諸如機器學習等應(yīng)用提供了重要的技術(shù)路線，也是現(xiàn)有計算機科學技術(shù)研究的重要前沿，而單分子器件由于其納米級的極致尺寸，成為了存算一體器件極致高密度集成和低功耗操作的潛在技術(shù)路線之一，然而其器件制備同樣存在巨大挑戰(zhàn)。為解決上述長期的挑戰(zhàn)，研究團隊從器件電極表界面物理化學過程的基礎(chǔ)研究出發(fā)，通過物理化學、合成化學、理論物理、電子學、原子制造、儀器科學和信息科學的多學科交叉開展合作研究。洪文晶教授課題組基于其建立和發(fā)展的可對單分子器件進行可編程序列電學信號讀寫的科學儀器方法，采用謝素原教授課題組設(shè)計和合成的內(nèi)嵌金屬富勒烯(Sc2C2@Cs(hept)-C88)構(gòu)筑了兩端電極連接的單金屬富勒烯器件。這一器件由于富勒烯分子不到一納米的尺寸，兩端電極間具有了高達108 V/m-109 V/m的強定向電場，該工作利用這一電場方向的變化實現(xiàn)了室溫下基于電場控制的單電偶極子翻轉(zhuǎn)，并通過向單金屬富勒烯結(jié)施加 ±0.8?V的低電壓，發(fā)現(xiàn)二進制信息可以原位可逆地編碼并存儲在不同偶極子狀態(tài)之間，從而實現(xiàn)了基于單個富勒烯分子中內(nèi)嵌金屬團簇構(gòu)型的非易失性存儲。單個金屬富勒烯分子器件這種非易失的雙穩(wěn)態(tài)性質(zhì)和電場控制偶極翻轉(zhuǎn)的高動態(tài)特性使其在基于存算一體器件的邏輯運算操作方面具有重要潛力。為驗證這一思路的可行性，該工作根據(jù)布爾邏輯方程設(shè)計施加在單分子器件兩個電極之間的脈沖電壓序列，并在演示邏輯運算操作前對分子狀態(tài)進行定義，解決了單分子器件電導初始值的不確定性問題，從而通過存算一體操作首次在實驗上實現(xiàn)了單分子器件14種邏輯運算的原理性驗證。英國蘭卡斯特大學Colin Lambert教授合作開展的密度泛函理論計算表明，非易失性存儲行為來自富勒烯籠中 [Sc2C2] 基團的偶極重定向，且兩端電極間強度和方向可控的強電場能夠通過降低不同構(gòu)型間的能壘和熱力學優(yōu)勢構(gòu)型以實現(xiàn)對偶極的翻轉(zhuǎn)行為的電場控制。這一研究基于單分子器件兩電極間的強定向電場實現(xiàn)了二進制信息的非易失性存儲，提出了有別于傳統(tǒng)三電極晶體管集成邏輯門的存算一體邏輯運算器件工作新機制，并基于這一新器件工作機制首次突破了單分子器件邏輯運算這一制約領(lǐng)域長期發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。該研究一方面從基礎(chǔ)研究視角揭示了基于定向電場的分子偶極控制在未來單分子尺度器件工作機制中的重要潛力，另一方面也通過多學科交叉的合作研究揭示了未來單分子電子學器件可能具有顯著有別于傳統(tǒng)三電極晶體管器件的工作機制和集成架構(gòu)，為未來高密度集成、低能耗操作的存算一體乃至類腦計算芯片的發(fā)展提供了信息材料和器件基礎(chǔ)。美國萊斯大學聚集態(tài)物理學家Douglas Natelson教授在Nature Materials同期以“Intra-molecular switching for memory and logic（實現(xiàn)存儲和運算的分子內(nèi)開關(guān)）”為題進行了亮點評述。洪文晶教授、謝素原教授和英國蘭卡斯特大學Colin J. Lambert 教授為該文章的共同通訊作者，文章的共同第一作者為廈門大學李晶博士、姚陽榕博士、碩士生張承揚和蘭卡斯特大學侯嵩軍博士。參與本研究工作的還有廈門大學劉俊揚副教授、楊揚副教授、師佳副教授和多位在讀研究生，以及中國科學院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所康黎星研究員。這一工作得到國家自然科學基金和國家重點研發(fā)計劃項目的資助，也得到了福建省嘉庚創(chuàng)新實驗室、高端電子化學品國家工程研究中心（重組）和國家集成電路產(chǎn)教融合平臺的支持。
聲明：化學加刊發(fā)或者轉(zhuǎn)載此文只是出于傳遞、分享更多信息之目的，并不意味認同其觀點或證實其描述。若有來源標注錯誤或侵犯了您的合法權(quán)益，請作者持權(quán)屬證明與本網(wǎng)聯(lián)系，我們將及時更正、刪除，謝謝。 電話：18676881059，郵箱：gongjian@huaxuejia.cn
在線客服
快速發(fā)布
我的店鋪
我的化學加
我的消息
我要充值
回到頂部
