A new kind of flexible phase change memory is tested while bent around a 4-millimeter-diameter rod. A.I. KHAN AND A. DAUS
来源：IEEE电气电子工程师
新的相变存储器需要更少的能量，部分原因是它是建立在塑料上的？
要想让粘贴式显示器、智能绷带和廉价的柔性塑料传感器真正推广，它们需要某种能够长期存储数据的方式，而这种方式或许可以建立在塑料上。斯坦福大学电气工程教授Eric Pop说：“在柔性电子的生态系统中，拥有记忆选项非常重要。”
但如今的非易失性存储器（如Flash）版本并不适合。因此，当Pop和他的工程师团队决定尝试将一种相变存储器应用于塑料时，他们认为这将是一个长期的尝试。他们想到的是一个惊喜——一个实际上效果更好的记忆，因为它是建立在塑料上的。重置内存（这类设备的关键功能）所需的能量比以前的灵活版本低一个数量级。研究人员在近日的《科学（Science）》杂志上报道了他们的发现。
相变存储器（Phase-change memory，PCM）并不是塑料电子产品的明显优势。它将其位存储为电阻状态。在其晶相中，它具有低电阻的特点。但是，在器件中运行足够的电流会使晶体熔化，从而使晶体冻结在一个更具电阻的非晶相中。这个过程是可逆的。重要的是，尤其是对于实验性神经形态系统，PCM可以储存中等水平的电阻。因此，单个设备可以存储一位以上的数据。
不幸的是，通常使用的一组材料在像塑料这样的柔性基底上不能很好地工作。问题是“编程电流密度”：基本上，为了将给定区域加热到发生相变的温度，需要通过泵送多少电流？弯曲塑料表面不平意味着使用普通材料的PCM电池不能像硅上的电池那样小，需要更多的电流才能达到相同的开关温度 —— 你可以把它想象成在烤箱里烤馅饼，门微开着。它会起作用，但需要更多的时间和精力。Pop和他的同事们正在寻找关闭烤箱门的方法。
他们决定尝试一种被称为超晶格的材料，这种晶体是由不同材料的纳米厚的重复层制成的。2011年，日本筑波国家应用工业科学技术研究所的Junji Tominaga和研究人员利用由锗、锑和碲组成的超晶格，报告了有希望的结果。通过研究这些超晶格，Pop和他的同事们得出结论，它们应该是非常隔热的，因为在其晶体形式中，各层之间存在原子级的间隙。这些“范德华式间隙（van der Waals-like gaps）”既限制了电流的流动，更重要的是限制了热量的流动。因此，当电流被强制通过时，热量不会很快从超晶格中排出，这意味着从一个相位切换到另一个相位所需的能量更少。
Current is confined to a superlattice by a pore-like structure of aluminum oxide. This makes heating more efficient so the memory can switch states using less energy.A.I. KHAN AND A. DAUS
但超晶格的工作并不是一个稳操胜券的事。Pop表示：“我们几年前就开始着手这项工作，但过程中我们真的很挣扎，甚至几乎要放弃了，”他解释说，“如果范德华间隙彼此平行，并且层间没有主要混合，超晶格就会工作。但所涉及的材料沉积设备的特点意味着“仅仅因为他们在日本公布了参数，并不意味着你可以在Palo Alto的工具中使用它们。” 与Pop合作的博士候选人Asir Intisar Khan，必须经历一个反复试验的过程，这一过程涉及到100多次尝试，以产生具有正确范德华间隙的超晶格。
A superlattice structure formed by alternating layers of antimony telluride and germanium telluride. Van der Waals-like gaps form between the layers, restricting the flow of current and heat.K. YAMAMOTO AND A.I. KHAN
研究人员通过将电流限制在一个600纳米宽的孔隙状结构中，该结构被绝缘氧化铝包围，从而将热量保持在存储设备中。最后一层绝缘材料是塑料本身，它能够比通常所用的硅PCM更好地抵抗热流。完成的器件的电流密度约为每平方厘米0.1兆安培，比硅上的传统PCM低约两个数量级，比以前的柔性器件好一个数量级。此外，它还表现出四种稳定的电阻状态。因此，它可以在单个设备中存储多个数据位。
在塑料上制造这种装置实际上可以改善情况，这并不是团队计划的。该实验室的博士后研究员Alwin Daus具有柔性电子专业知识，他表示，该团队假设超晶格和衬底之间的氮化钛电极将限制热损失，因此衬底不会影响内存操作。但后来的模拟证实，热渗透到塑料基板中，与硅基板相比，塑料基板的导热系数较低。
Khan说，近日报道的这项工作证明了在柔性表面上进行低功耗存储的概念。但隔热的重要性也适用于硅器件。研究小组希望通过进一步缩小孔径和使器件侧面更加绝缘来改进器件。模拟已经表明，使氧化铝壁变厚可以降低达到开关温度所需的电流。研究人员还将研究其他可能具有更好性能的超晶格结构。
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