物理所基於磁電耦合效應實現第四種基本電路元件與非易失信息存儲器

物理所基於磁電耦合效應實現第四種基本電路元件與非易失信息存儲器

2016-08-23 物理研究所

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　　電阻、電容和電感是人們熟知的三種基本電路元件，分別由四個基本電路變量（電壓v、電流i、電荷q、磁通φ）兩兩之間的線性關係來定義。1971年，美國加州大學Leon Chua提出，基於對稱性考慮應該存在第四種基本電路元件，由電荷和磁通之間的關係來定義。由於當時沒有找到符合這種定義的真實器件，Leon Chua通過關係變換，基於非線性電流-電壓關係定義了一種新的器件——憶阻器（memristor），並把它當作第四種基本電路元件。在隨後近40年裡，憶阻器的概念並沒有引起人們太多的注意。直到2008年，美國惠普實驗室在《自然》（Nature）上發表文章宣稱找到了缺失多年的憶阻器，從而激發了人們對憶阻器的關注，掀起了憶阻器及相關功能器件的研究熱潮。雖然憶阻器具有重要的應用前景，但是，它並不是真正的第四種基本電路元件，因為憶阻器是基於非線性電流-電壓的關係來定義的，不滿足第四種基本元件的原始定義，即直接由電荷-磁通的關係來定義。因此，把憶阻器作為第四種基本電路元件，一直受到爭議與質疑。

　　近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）研究員孫陽、副研究員尚大山、副研究員柴一晟等基於磁電耦合效應實現了滿足原始物理定義的真正的第四種基本電路元件。磁電耦合效應是指磁場改變電極化強度或者電場改變磁化強度的物理現象。他們通過理論推導和實驗檢驗，發現基於一個由磁電耦合介質和金屬電極構成的簡單三明治結構，可以建立起電荷與磁通之間的直接轉換關係，從而嚴格滿足第四種基本電路元件的物理定義。他們把這種基於磁電耦合效應的第四種基本電路元件命名為電耦器（transtor），其相應的非線性記憶元件命名為憶耦器（memtranstor），並給出了電耦器和憶耦器的電路響應特徵。隨著電耦器和憶耦器的引入，可以建立起一張基本電路元件的完整關係圖，包括四個線性基本元件（電阻器、電容器、電感器、電耦器）和四個非線性記憶元件（憶阻器、憶容器、憶感器、憶耦器）。這一工作從基本電路元件的角度重新審視了磁電耦合效應，不僅澄清了一個基礎科學問題，也為磁電耦合效應的應用開闢了新的空間。相關研究成果以Rapid Communication形式發表在《中國物理B》（Chin. Phys. B 24, 068402 (2015)），併入選了2015年度研究亮點（Highlights of 2015）。

　　與憶阻器類似，作為第四種非線性記憶元件的憶耦器在開發新一代信息功能器件方面具有巨大的潛力。孫陽研究組首先基於憶耦器實現了一種全新的非易失信息存儲器。存儲器可以分為易失性（volatile）和非易失性（nonvolatile）兩大類。目前，計算機內存採用的動態和靜態隨機存儲器（DRAM和SRAM）都屬於易失性，在斷電時存儲的信息立即丟失，因此需要持續的電源供應以維持存儲的信息。非易失存儲器不僅在無電源供應時依然可以保持存儲的數據，而且可以極大地降低功耗，是未來信息存儲技術發展的必然趨勢。基於不同的存儲介質和工作原理，人們已經提出了多種非易失隨機存儲器，如磁性存儲器（MRAM）、鐵電存儲器（FeRAM）、阻變存儲器（ReRAM）、相變存儲器（PCRAM）、多鐵性存儲器（MeRAM）等。這些已知的非易失存儲器都是分別利用三個物理量之一來存儲二進位信息，即磁化強度（M）或電極化強度（P）的方向，或者電阻（R）的高低。孫陽、柴一晟和尚大山等開創性地提出一種新的存儲原理，採用另一種物理量——電耦（T）或者等效於磁電耦合係數（α）來有效地存儲二進位信息。利用憶耦器表現出的蝴蝶曲線非線性磁電耦合效應，可以把磁電耦合係數的正與負分別定義為二進位信息1和0，通過施加脈衝電壓使得磁電耦合係數在正負之間轉變，從而實現非易失信息存儲。為了驗證這一新型存儲原理的可行性，博士生申見昕與叢君狀等製備了一個基於PMN-PT/Terfenol-D多鐵性異質結的憶耦器，利用其室溫下的大磁電耦合效應，成功演示了可重複擦寫的非易失信息存儲。

　　基於憶耦器的新型存儲器採用電寫磁讀，具有高速度、低功耗、並行讀取、結構簡單、易於製備、可選擇的材料廣泛等優點。通過進一步優化材料選擇和結構設計，憶耦器有望成為下一代通用型非易失存儲器，具有巨大的應用前景。以上研究成果作為Letter發表於美國物理學會《物理評論應用》（Physical Review Applied 6, 021001 (2016)），並申請了一項PCT國際發明專利。

　　該工作獲得了國家自然科學基金、科技部和中科院項目的支持。

　　文章連結：1 2

圖1. 第四種基本電路元件的結構示意圖

圖2. 基本電路元件的完整關係圖

圖3. 基於憶耦器的非易失存儲器工作原理示意圖

　　電阻、電容和電感是人們熟知的三種基本電路元件，分別由四個基本電路變量（電壓v、電流i、電荷q、磁通φ）兩兩之間的線性關係來定義。1971年，美國加州大學Leon Chua提出，基於對稱性考慮應該存在第四種基本電路元件，由電荷和磁通之間的關係來定義。由於當時沒有找到符合這種定義的真實器件，Leon Chua通過關係變換，基於非線性電流-電壓關係定義了一種新的器件——憶阻器（memristor），並把它當作第四種基本電路元件。在隨後近40年裡，憶阻器的概念並沒有引起人們太多的注意。直到2008年，美國惠普實驗室在《自然》（Nature）上發表文章宣稱找到了缺失多年的憶阻器，從而激發了人們對憶阻器的關注，掀起了憶阻器及相關功能器件的研究熱潮。雖然憶阻器具有重要的應用前景，但是，它並不是真正的第四種基本電路元件，因為憶阻器是基於非線性電流-電壓的關係來定義的，不滿足第四種基本元件的原始定義，即直接由電荷-磁通的關係來定義。因此，把憶阻器作為第四種基本電路元件，一直受到爭議與質疑。
　　近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）研究員孫陽、副研究員尚大山、副研究員柴一晟等基於磁電耦合效應實現了滿足原始物理定義的真正的第四種基本電路元件。磁電耦合效應是指磁場改變電極化強度或者電場改變磁化強度的物理現象。他們通過理論推導和實驗檢驗，發現基於一個由磁電耦合介質和金屬電極構成的簡單三明治結構，可以建立起電荷與磁通之間的直接轉換關係，從而嚴格滿足第四種基本電路元件的物理定義。他們把這種基於磁電耦合效應的第四種基本電路元件命名為電耦器（transtor），其相應的非線性記憶元件命名為憶耦器（memtranstor），並給出了電耦器和憶耦器的電路響應特徵。隨著電耦器和憶耦器的引入，可以建立起一張基本電路元件的完整關係圖，包括四個線性基本元件（電阻器、電容器、電感器、電耦器）和四個非線性記憶元件（憶阻器、憶容器、憶感器、憶耦器）。這一工作從基本電路元件的角度重新審視了磁電耦合效應，不僅澄清了一個基礎科學問題，也為磁電耦合效應的應用開闢了新的空間。相關研究成果以Rapid Communication形式發表在《中國物理B》（Chin. Phys. B 24, 068402 (2015)），併入選了2015年度研究亮點（Highlights of 2015）。
　　與憶阻器類似，作為第四種非線性記憶元件的憶耦器在開發新一代信息功能器件方面具有巨大的潛力。孫陽研究組首先基於憶耦器實現了一種全新的非易失信息存儲器。存儲器可以分為易失性（volatile）和非易失性（nonvolatile）兩大類。目前，計算機內存採用的動態和靜態隨機存儲器（DRAM和SRAM）都屬於易失性，在斷電時存儲的信息立即丟失，因此需要持續的電源供應以維持存儲的信息。非易失存儲器不僅在無電源供應時依然可以保持存儲的數據，而且可以極大地降低功耗，是未來信息存儲技術發展的必然趨勢。基於不同的存儲介質和工作原理，人們已經提出了多種非易失隨機存儲器，如磁性存儲器（MRAM）、鐵電存儲器（FeRAM）、阻變存儲器（ReRAM）、相變存儲器（PCRAM）、多鐵性存儲器（MeRAM）等。這些已知的非易失存儲器都是分別利用三個物理量之一來存儲二進位信息，即磁化強度（M）或電極化強度（P）的方向，或者電阻（R）的高低。孫陽、柴一晟和尚大山等開創性地提出一種新的存儲原理，採用另一種物理量——電耦（T）或者等效於磁電耦合係數（α）來有效地存儲二進位信息。利用憶耦器表現出的蝴蝶曲線非線性磁電耦合效應，可以把磁電耦合係數的正與負分別定義為二進位信息1和0，通過施加脈衝電壓使得磁電耦合係數在正負之間轉變，從而實現非易失信息存儲。為了驗證這一新型存儲原理的可行性，博士生申見昕與叢君狀等製備了一個基於PMN-PT/Terfenol-D多鐵性異質結的憶耦器，利用其室溫下的大磁電耦合效應，成功演示了可重複擦寫的非易失信息存儲。
　　基於憶耦器的新型存儲器採用電寫磁讀，具有高速度、低功耗、並行讀取、結構簡單、易於製備、可選擇的材料廣泛等優點。通過進一步優化材料選擇和結構設計，憶耦器有望成為下一代通用型非易失存儲器，具有巨大的應用前景。以上研究成果作為Letter發表於美國物理學會《物理評論應用》（Physical Review Applied 6, 021001 (2016)），並申請了一項PCT國際發明專利。
　　該工作獲得了國家自然科學基金、科技部和中科院項目的支持。
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圖1. 第四種基本電路元件的結構示意圖

圖2. 基本電路元件的完整關係圖

圖3. 基於憶耦器的非易失存儲器工作原理示意圖

列印 責任編輯：葉瑞優