今天來吹一波相變材料（上）

半年一更，居然沒脫粉我覺得大家還是愛我的o(*////▽////*)q，為什麼很久不更，因為我很懶不想寫東西。每次想寫點啥呢，感覺強行寫不太熟悉的領域又很花時間，可能還會出很多錯誤，還不如找一些熟悉的領域來寫一寫。

今天又寫材料，畢竟無論電子產業的發展還是光學的發展，材料作為最基礎的部分是很重要的。當然作為材料專業的，很多都是如何來合成一個材料，然後加個應用，而光學與微電子等工程專業的就是想著如何利用一個現成材料來實現一個器件。

相變材料的研究可以說是很古老，筆者的導師就是做相變光碟出身的，奈何光碟這種東西費電、容量小、又是只讀存儲器，被Flash存儲器（也就是我們今天的U盤）能替代的點實在太多，自然而然的被干翻在地。我記得當時本科上某個課程的時候，老師說當時光碟產業被國外壟斷的厲害，本科學校有個組為了做光碟方面真是殫精竭慮，結果做出來沒幾年，就被替代了。當然，現在CD這種並不是說毫無用處，好處就和iOS系統一樣，不容易中病毒木馬什麼的，適合存儲一些重要資料，或者從其他儀器上拷貝資料。比如像我們一些大型公用設備需要copy一些資料，都是用的光碟。

然而研究相變材料的學者們並不止步於光碟，之後又提出了相變存儲器（Phase-change memory）概念。稍微有一點計算機知識的人知道，現代的計算機系統基本都是用的二進位系統，其中原因呢，是因為二進位對於表現信號的通斷來說是最容易的，只要有一個類似開關的器件通過無數的「0」與「1」的組合就能調用命令，以及對信息進行存儲。

很多熟悉數字電路的讀者對於這些內容肯定不會陌生。一方面用電平信號來作為時鐘（clk）來進行觸發控制，然後在利用其它輸入埠作為信號的輸入，另外的就是作為信號的輸出端了，存儲器就是存儲著一系列0和1的單元陣列。

相變材料為什麼能做儲存器呢，我上面替計算機二進位的原因就是如此了，既然是二進位，那麼只需要存在兩種狀態即可，相變材料本身就能夠存在兩種穩定狀態，其中一種是非晶態（Amorphous）另外一種是結晶態（Crystal）而結晶態根據材料不同，有的是rocksalt結構面心立方堆積（FCC）還有一種則是六方結構。

有趣的是，在不同的狀態下，材料所表現出來的電阻值也不同，可以說是相差很大，在非晶狀態下電阻值很大，而在晶態阻值則很小，而且此過程可以利用電脈衝或者光脈衝來實現，可以說這些特性決定了該材料作為存儲的意義之大。前段時間，西安交大有一篇Science就是敘述一個皮秒（1 ps = 10^-12 s）相變的概念。相變存儲器也被認為是有最大可能性代替Flash的一種。

其實相變存儲器的產品其實已經問世，但是本身實際能耗問題有些嚴重，所以實際上還是處於一個偏向於研究的階段。但也並非完全沒有應用，三星公司曾在其一款GT-E2550應用了相變存儲器。在摩爾極限到來的今天，存儲器密度的增加都在往立體方向做，如FinFET等，然而最近intel放出消息，其最新研究的3D-Xpoint正是利用相變存儲器原理來實現的，其結構為常見的crossbar結構。

相變存儲器是否能夠代替如今Flash的位置，實際尚未可知，這可能需要漫長的過程還有一系列的商業布局，不過讓我們拭目以待。

至於下一部分我打算講一講在光學方面的新型應用，這一部分才是我自己本身有所研究的部分。

參考文獻：

1.Rao F, Ding K, Zhou Y, et al. Reducing the stochasticity of crystal nucleation to enable subnanosecond memory writing[J]. Science, 2017: eaao3212.

2.Feinleib J, DeNeufville J, Moss S C, et al. Rapid reversible light‐induced crystallization of amorphous semiconductors[J]. Applied Physics Letters, 1971, 18(6): 254-257.

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