► 研究者工作的实验室一角，图片来自王玥

撰文 | 沁    园

责编 | 惠家明

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当今的电子产品想要存储数据，无非是通过两类途径：第一类是易失性存储，例如计算机的内存，掉电后数据会立即消失；第二类是非易失性存储，比如人们常用的U盘，在写入数据后无需额外能量可保存信息10年。

然而，这两类存储技术各有各的问题。易失性存储速度快，但是保存期限短。非易失性存储虽能满足数据存储年限的要求，可写入速度却足足慢了几千倍。

针对这一难题，复旦大学张卫、周鹏团队利用颠覆性的二维半导体器件，开创了第三类存储技术，让“写入速度”与“非易失性”二者兼得，相关成果以《用于准非易失应用的范德瓦尔斯结构半浮栅存储》为题，在线发表于《自然·纳米技术》杂志。

比U盘快一万倍，数据有效期可私人订制

相信许多人都被U盘或移动硬盘“锻炼”过耐心，这是因为传统的非易失性存储技术需要几微秒到几十微秒才能把一单位的数据保存下来。相比之下，易失的半导体电荷存储技术只用几纳秒就能做到（1微秒=1000纳秒）。

► 图. 用于准非易失应用的范德瓦尔斯结构半浮栅存储。刘春森博士生和周鹏教授为共同第一作者，张卫教授和周鹏教授为通讯作者。

而此次，复旦大学研发的新型电荷存储技术已经可以达到10纳秒的数据写入速度。这意味着，其传输速度比普通U盘快了近乎一万倍，数据刷新时间也是内存技术的156倍。与此同时，数据在写入之后保存年限非常久。即使无外界能量输入，信息也可以保存最多10年。不仅如此，数据的存储时长甚至实现了按需定制：人们可以自主设置数据信息在设备中的存储时间，最短10秒，最久10年，过期就自动消失。这些全新特性不仅在高速内存中可以极大降低存储功耗，同时还可以实现数据有效期截止后自然消失，在特殊的保密场景中有极大的应用价值。

二维材料新组合：电子在“开门”与“撞墙”间的艺术

面对如此新颖的第三类存储技术，该论文的评审人也称其为“鬼斧神工”的技艺。那么，这样的成就又是如何实现的？

存储技术时效性的关键，在于对电子的管控。要想传输速度快，就要让电子快速进入。而要想数据保存时间久，就要让电子牢牢锁住。复旦大学研究人员认为，要实现快速、长久的保存，存储材料应当“一部分如同一道可随手开关的门，电子易进难出；另一部分则像一面密不透风的墙，电子难以进出。对‘写入速度’与‘非易失性’的调控，就在于这两部分的比例。”论文作者周鹏介绍道。

为此，他们选择了多种二维材料，堆叠构成了半浮栅结构晶体管。在存储器中，二硫化钼等材料分别用于开关电荷输运和储存，而氮化硼被作为隧穿层，以制成阶梯能谷结构的“范德瓦尔斯异质结（二维材料堆叠后，分子间作用力使其形成的结构）。”正是这几种二维材料全新组合，充分发挥了二维材料的丰富能带特性，将第三类存储技术变为现实。

如人们所知，二维材料发轫于石墨烯的发现。这种材料在平面内存在强有力的化学键键合，而层与层之间则依靠分子间作用力堆叠在一起。同时，它也是一个兼有导体、半导体和绝缘体的完整体系。因此，二维材料在存储技术研发领域有着极大的潜力。

实际上，该研究团队也很早意识到了这一点。在2017年时，他们就已经发现二维材料制作的半导体有许多“奇异新特性”。此次，他们将之前的发现进一步深化，首创了新一代存储技术，这或许在不久的未来会深刻改变人们对数据的储存方式。

正如这篇文章评审人所言：“这项工作具有极强的时效性，也是范德瓦尔斯异构结构器件发展的一个重要里程碑。器件设计提升了范德华异质结构电子应用领域的最高技术水平。”

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Zhang DW, Zhou P et al. A semi-floating gate memory based on van der Waalsheterostructures for quasi-nonvolatile applications. 2018. Nature Nanotechnology. DOI: 10.1038/s41565-018-0102-6.

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