基于磁电耦合效应实现第四种基本电路元件与非易失信息存储器

来源:   发布时间:2016-08-24


电阻、电容和电感是人们熟知的三种基本电路元件,分别由四个基本电路变量(电压v、电流i、电荷q、磁通φ)两两之间的线性关系来定义。1971年,美国加州大学Leon Chua提出,基于对称性考虑应该存在第四种基本电路元件,由电荷和磁通之间的关系来定义。由于当时没有找到符合这种定义的真实器件,Leon Chua通过关系变换,基于非线性电流-电压关系定义了一种新的器件—忆阻器(memristor),并把它当作第四种基本电路元件。在随后近40年里,忆阻器的概念并没有引起人们太多的注意。直到2008年,美国惠普实验室在Nature上发表文章宣称找到了缺失多年的忆阻器,从而激发了人们对忆阻器的关注,掀起了忆阻器及相关功能器件的研究热潮。虽然忆阻器具有重要的应用前景,但是,它并不是真正的第四种基本电路元件,因为忆阻器是基于非线性电流-电压的关系来定义的,不满足第四种基本元件的原始定义,即直接由电荷-磁通的关系来定义。因此,把忆阻器作为第四种基本电路元件,一直受到争议与质疑。
  近期,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)孙阳研究员、尚大山副研究员、柴一晟副研究员等基于磁电耦合效应实现了满足原始物理定义的真正的第四种基本电路元件。磁电耦合效应是指磁场改变电极化强度或者电场改变磁化强度的物理现象。他们通过理论推导和实验检验,发现基于一个由磁电耦合介质和金属电极构成的简单三明治结构,可以建立起电荷与磁通之间的直接转换关系,从而严格满足第四种基本电路元件的物理定义。他们把这种基于磁电耦合效应的第四种基本电路元件命名为电耦器(transtor),其相应的非线性记忆元件命名为忆耦器(memtranstor),并给出了电耦器和忆耦器的电路响应特征。随着电耦器和忆耦器的引入,可以建立起一张基本电路元件的完整关系图,包括四个线性基本元件(电阻器、电容器、电感器、电耦器)和四个非线性记忆元件(忆阻器、忆容器、忆感器、忆耦器)。这一工作从基本电路元件的角度重新审视了磁电耦合效应,不仅澄清了一个基础科学问题,也为磁电耦合效应的应用开辟了新的空间。相关研究成果以Rapid Communication形式发表在Chin. Phys. B 24, 068402 (2015),并入选了2015年度研究亮点(Highlights of 2015)。
  与忆阻器类似,作为第四种非线性记忆元件的忆耦器在开发新一代信息功能器件方面具有巨大的潜力。孙阳研究组首先基于忆耦器实现了一种全新的非易失信息存储器。存储器可以分为易失性(volatile)和非易失性(nonvolatile)两大类。目前,计算机内存采用的动态和静态随机存储器(DRAM和SRAM)都属于易失性,在断电时存储的信息立即丢失, 因此需要持续的电源供应以维持存储的信息。非易失存储器不仅在无电源供应时依然可以保持存储的数据,而且可以极大地降低功耗,是未来信息存储技术发展的必然趋势。基于不同的存储介质和工作原理,人们已经提出了多种非易失随机存储器, 如磁性存储器(MRAM)、铁电存储器(FeRAM)、阻变存储器(ReRAM)、相变存储器(PCRAM)、多铁性存储器(MeRAM)等。这些已知的非易失存储器都是分别利用三个物理量之一来存储二进制信息,即磁化强度(M)或电极化强度(P)的方向,或者电阻(R)的高低。孙阳研究员、柴一晟副研究员和尚大山副研究员等开创性地提出一种新的存储原理,采用另一种物理量—电耦(T)或者等效于磁电耦合系数(α)—来有效地存储二进制信息。利用忆耦器表现出的蝴蝶曲线非线性磁电耦合效应,可以把磁电耦合系数的正与负分别定义为二进制信息1和0,通过施加脉冲电压使得磁电耦合系数在正负之间转变,从而实现非易失信息存储。为了验证这一新型存储原理的可行性,博士生申见昕与丛君状等制备了一个基于PMN-PT/Terfenol-D多铁性异质结的忆耦器,利用其室温下的大磁电耦合效应,成功演示了可重复擦写的非易失信息存储。
  基于忆耦器的新型存储器采用电写磁读,具有高速度、低功耗、并行读取、结构简单、易于制备、可选择的材料广泛等优点。通过进一步优化材料选择和结构设计,忆耦器有望成为下一代通用型非易失存储器,具有巨大的应用前景。以上研究成果作为Letter发表于美国物理学会Physical Review Applied 6, 021001 (2016),并申请了一项PCT国际发明专利。
  该工作获得了国家自然科学基金、科技部和中国科学院项目的支持。
  文章链接:http://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.6.021001
  http://cpb.iphy.ac.cn/EN/Y2015/V24/I6/68402
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图1. 第四种基本电路元件的结构示意图。
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图2. 基本电路元件的完整关系图。
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图3. 基于忆耦器的非易失存储器工作原理示意图。