新型存儲(chǔ)芯片可承受極端高溫，助力未來(lái)金星探測(cè)與深地鉆探任務(wù)

這種極端耐熱存儲(chǔ)技術(shù)或?qū)⒆兏锖教炫c能源電子領(lǐng)域。

南加州大學(xué)的研究人員展示了一種新型電子存儲(chǔ)芯片，能夠在高達(dá) 700°C 的極端溫度下穩(wěn)定工作，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)電子元件的耐受極限。

測(cè)試中，該芯片未顯現(xiàn)出任何達(dá)到運(yùn)行上限的跡象，研究人員指出，700°C 僅是其測(cè)試設(shè)備所能達(dá)到的最高溫度。

智能手機(jī)、汽車、衛(wèi)星及工業(yè)系統(tǒng)中的電子設(shè)備都面臨一個(gè)根本性限制——高溫。大多數(shù)傳統(tǒng)電子元件在約 200°C 時(shí)便開始失效，這給航天探索、地?zé)徙@井、核能系統(tǒng)等極端環(huán)境下的工程師帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。

“這可以說(shuō)是一場(chǎng)革命。這是迄今性能最優(yōu)的高溫存儲(chǔ)器件。”研究作者之一楊建華表示。

由極端材料制成的微型存儲(chǔ)芯片

研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的器件是一種憶阻器，這種納米級(jí)元件既能存儲(chǔ)信息，又能執(zhí)行計(jì)算操作。其結(jié)構(gòu)由兩層電極夾著一層薄薄的陶瓷材料構(gòu)成。

團(tuán)隊(duì)采用鎢作為頂部電極，氧化鉿陶瓷作為中間層，石墨烯作為底部電極。

選擇鎢是因?yàn)樗侨埸c(diǎn)最高的金屬，而石墨烯（單層碳原子）則能承受極高溫而不降解。

最終制成的存儲(chǔ)芯片表現(xiàn)出色：在 700°C 下，它能在無(wú)需刷新的情況下保存數(shù)據(jù)超過(guò) 50 小時(shí)；
在該溫度下承受了超過(guò) 10 億次開關(guān)循環(huán)，工作電壓僅 1.5 伏，開關(guān)速度達(dá)數(shù)十納秒。

一次意外發(fā)現(xiàn)

“說(shuō)實(shí)話，這是個(gè)意外發(fā)現(xiàn)——大多數(shù)發(fā)現(xiàn)都是如此。如果能預(yù)測(cè)到，通常就不會(huì)令人驚訝，也就可能沒那么重要。”楊建華說(shuō)。

在傳統(tǒng)電子器件中，高溫會(huì)使頂部電極的金屬原子遷移穿過(guò)陶瓷層。最終，這些原子到達(dá)底部電極，形成永久性連接，導(dǎo)致器件短路失效。

石墨烯阻止了這一過(guò)程。鎢與石墨烯之間的表面化學(xué)特性，使得鎢原子無(wú)法與石墨烯層結(jié)合。
由于沒有錨定點(diǎn)，原子便遷移離開，不會(huì)形成短路，從而防止了器件在極端溫度下失效。

在航天、能源及人工智能計(jì)算中的潛在應(yīng)用

能夠在 500°C 以上溫度下工作的電子器件，一直是航天機(jī)構(gòu)長(zhǎng)期追求的目標(biāo)，尤其是針對(duì)表面溫度極高的金星探測(cè)任務(wù)。現(xiàn)有的硅基電子器件遠(yuǎn)未達(dá)到該溫度就已失效。

除航天探索外，該技術(shù)還可用于地?zé)徙@井、核能系統(tǒng)以及需要電子設(shè)備在強(qiáng)熱源附近運(yùn)行的工業(yè)環(huán)境。

即便在汽車電子等日常應(yīng)用中，耐極端溫度認(rèn)證的器件在常規(guī)工況下也將更為耐用。

憶阻器在人工智能計(jì)算方面也有應(yīng)用潛力。許多 AI 運(yùn)算高度依賴矩陣乘法，這一過(guò)程在傳統(tǒng)數(shù)字計(jì)算機(jī)中消耗大量能量。

憶阻器可以通過(guò)其電學(xué)行為直接執(zhí)行這些計(jì)算，有望實(shí)現(xiàn)更快、更節(jié)能的 AI 處理。

該研究發(fā)表于《科學(xué)》期刊。

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