中国科大团队基于单离子传输实现20皮秒非易失性存储器

B910化工消息：中国科学技术大学集成电路学院左成杰课题组提出了一种基于单离子传输机制的新型存储器方案，利用单层六方氮化硼（h-BN）中的单原子空位缺陷，通过单个离子穿越氮化硼平面实现电阻开关。相关论文发表在arXiv预印本平台。

第一性原理计算表明，在具有单原子空位缺陷的单层h-BN中，单个离子穿越BN平面的过程主导了电阻开关行为。离子的捕获与释放分别对应存储器件的不同电阻状态，每个离子开关事件即代表一位信息的写入或擦除。

实验制备的单离子存储器件展现出非易失性电阻开关特性，实现了20皮秒（ps）的超快开关速度和310阿焦耳/比特（aJ/bit）的超低能耗。这一优异性能归因于单离子穿越原子厚度薄膜的极短传输距离——仅一层原子的厚度，使离子迁移路径极短。

该工作指出，这种兼具非易失性、超快速度、超低功耗和高存储密度的器件，正是整个半导体行业长期追求的统一存储器（Unified Memory）。当前主流存储技术各有利弊：SRAM速度快但密度低且易失性；DRAM密度较高但同样易失且需要刷新；闪存非易失但速度慢。单离子存储器若能实现规模化，有望在下一代电子系统中填补这一长期空白。

在人工智能（AI）、物联网（IoT）和边缘计算快速发展的背景下，传统存储技术在密度、速度和功耗方面面临严峻挑战。20皮秒的开关速度比现有闪存快约五个数量级，310阿焦耳/比特的能耗则远低于DRAM的典型功耗水平。

该研究由中国科学技术大学集成电路学院与合肥综合性国家科学中心人工智能研究院合作完成，山西师范大学化学与材料科学学院参与了部分工作。 （来源：arXiv）