耐700℃高温存储设备问世有望重塑太空探索和人工智能

发布时间: 来源：中国科学报

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科学家开发出一种新型存储设备，可在比熔岩还热的700℃高温下工作，且没有发生故障的迹象。这一温度远超这类技术之前所能达到的水平。相关研究成果近日发表于《科学》。

从智能手机到卫星，现代电子器件在为它们提供动力的同时都面临着一个局限性：发热。一旦温度超过200℃，大多数设备就会发生故障。几十年来，这种热障一直是工程领域面临的难题。现在，研究人员似乎找到了超越这个极限的方法。

美国南加利福尼亚大学（USC）的Joshua Yang、Arthur B. Freeman团队开发出一种新型忆阻器。这种纳米级组件兼具数据存储和计算功能，其构造像一块三明治，两侧各有一个电极，中间夹着一层薄薄的陶瓷。

论文第一作者、USC的赵健（音）介绍，他们用钨作为上层电极，中间用二氧化铪陶瓷，底层是石墨烯。其中钨的熔点是所有元素中最高的，而石墨烯以卓越的强度和耐热性著称。这种组合给设备带来了亮眼的表现——在700℃下无需刷新即可保存数据超过50个小时。在此温度下，它还能承受超过10亿次的开关循环，工作电压仅为1.5伏。

事实上，这一切纯属偶然。团队最初打算制造另一种基于石墨烯的装置，却在此过程中有了一个意外发现。在传统电子器件中，热量会使上部电极中的金属原子缓慢穿过陶瓷层，最终到达底部电极，形成永久连接，导致设备短路并一直处于导通状态。

然而研究人员在实验中发现，石墨烯可以防止这种故障。它与钨的相互作用类似于油和水。由于没有稳定的附着点，到达石墨烯表面的钨原子只能漂移，无法形成导电桥。这样就可以防止短路，即使在极端高温下也能保证设备正常运行。

研究人员利用先进的电子显微镜、光谱学和量子级模拟证实了这一机制。通过了解原子界面发生的情况，他们将这个意外发现转化为指导未来设计的原理。

能够在500℃以上环境中运行的电子设备将为太空探索提供帮助。例如，金星的表面温度就是这个水平，而极端高温也是导致向金星发射的着陆器最终失效的原因之一。目前的硅基芯片很难在这种环境中运行。

“我们的设备的耐受温度已超过700℃，而且有望更高。”Yang说。

该设备的潜在应用远不止太空任务。地热能系统需要能在地下深处正常工作的电子设备，核聚变系统也要求设备暴露在极端高温的环境中。即便在日常生活中，耐用性显著提高的设备也很受欢迎。

此外，该设备还为人工智能提供了一个主要优势。目前，许多人工智能系统都依赖于矩阵乘法。传统计算机完成这些运算都需要消耗大量能量。而忆阻器解决这个问题的方式则有所不同。利用欧姆定律，它能够在电流流经器件时直接进行计算，速度快、能耗低。

尽管成果令人鼓舞，但Yang强调，该设备与实际应用还有一段距离。存储器只是一个完整计算系统的一部分，还需要开发并集成高温逻辑电路。此外，目前的设备是在实验室手工制造的，规模非常小，而实现大规模生产仍需时日。（徐锐）