(电子元件f7)

　　电子元器件从出现以来一直在往更小的工艺上发展，例如目前电脑硬盘存储介质的工艺水平都已经发展到了10 nm左右，而存储容量却比15年前的产品大了1万倍以上。不过，纳米效应的存在给发展更小的工艺带来了不少的麻烦，传统技术的优化策略已经步履维艰。为此，研究者们提出了原子级器件的概念，尝试设计了诸如单原子晶体管、单原子磁力计、单原子存储等原子级器件，希望通过对物质在原子精度的操控，来达成技术上的突破。

　　以单原子存储为例，配合扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscope，STM）的使用，研究者可以通过改变原子的电荷状态、磁化状态、晶格位置等来记录信息。荷兰代尔夫特理工大学的A. F. Otte研究团队采用在Cu(100)晶面上沉积氯原子的方法，通过STM操控Cl空位的位置来达到存储信息的目的，工作发表在《Nature Nanotechnology》上。（A kilobyte rewritable atomic memory.Nature Nanotech., 2016, DOI: 10.1038/NNANO.2016.131）。

　　作者选择了Cu(100)晶面作为衬底，用气相沉积的方法在合适的温度下将无定形的CuCl2粉末沉积在Cu表面，控制合适的退火温度和时间在Cu(100)表面得到了带有Cl原子缺陷的Cl原子层。如图1a所示，蓝色原子为Cl，黄色原子为Cu，图中心即是一个Cl原子空位（V）。经过实验和理论计算，在STM的针尖上给予一个合适的电流（图1d）可以使空位旁的Cl原子移动到空位上（图1b），从宏观上看即空位发生了移动（图1c）。

　　图1 Cu(100)晶面上覆盖的Cl原子空位以及Cl原子的移动。图片来源：Nature Nanotech.

　　由于Cl原子的移动需要克服一定的能垒（约0.3 eV），在77K的低温下这种Cl原子与空位的排列能够在一定程度下稳定存在，作者定义二维平面上V-Cl的组合表示“0”，Cl-V的组合表示“1”，并用额外的4个Cl原子以“L”型隔断相邻空位，防止读取时的误差，从而实现了用6个晶格位点来记录1比特（bit）的数据。以此为单元相邻排列即可记录更多的信息，图2a即是8个单元排列，用8位2进制以ASCII码的形式所记录的数据，代表字母“e”。图2b/c/d则是以此扩展的记录8字节（bytes）的单元。

　　图2 由V-Cl和Cl-V分别表示“0”和“1”的数据记录单元以及组合。图片来源：Nature Nanotech.

　　由于空位是在沉积CuCl2的退火过程中出现的，而非是用STM操作所获得，数据记录的过程相当于是移动Cl原子实现空位移动、重新排列的过程，这一过程相比于用STM在衬底的特定位置放置原子的过程要容易实现。同时，通过对空位的重新排列还可以实现数据的可擦写，这是诸如Au-Si表面的原子级存储所不能实现的。

　　配合上用于引导STM读取单元的特定符号，将8字节的存储单元进行组合，作者得到了一块记录有1,016字节数的二维存储材料（图3）。使用STM采用等高扫描的模式采集电流信息，以1 nA的信号差异用来分辨Cl原子和空位，可以实现对存储信息的读取。有部分单元由于衬底的缺陷或者污染而无法记录数据，作者在单元的左上角标记以损坏符号，让探针在读取时跳过此区域，类似的换行和行首也有特定的符号用于引导。按照作者估算，他们这种原子级存储容量高达每平方英尺502 terabits（相当于62.75 TB），存储密度比目前最先进的硬盘技术还要高3个数量级左右。

　　图3 1千字节的原子级存储。图片来源：Nature Nanotech.

　　最后，作者还采用DFT计算等方法计算了空位之间的作用和热稳定性，并提出如果将这种二维存储材料发展到三维，那么5nm厚、100 μm边长的存储单元足以装下整个美国国会图书馆的数据，前景诱人。

　　无伤小哥的短评：

　　本文介绍了一种原子级的存储方法，相比于使用STM在衬底上放置原子，文章采用了巧妙的CuCl2沉积退火的方式制造了Cl空位，通过STM移动Cl原子的方式进行原子的排列以达到存储信息的目的。工作的特点在于选择了合适的衬底以及Cl作为可操作的原子，不仅降低了操作难度，并实现了可擦写的目的，还使得工作温度达到了77K，相比于大部分已有工作10K以下的工作温度已经是不小的突破了。

　　原子级的存储相比于现有的硬盘存储技术，从存储密度上来说确实大有优势，但其苛刻的工作温度和集成性能以及缓慢的数据读取速度可能是制约这一技术发展的瓶颈。

问题讨论

作者说二维的材料发展到三维，5nm厚的材料足以装下庞大的数据，然而STM的读取只能发生在二维结构上，如何解决二维存储的集成问题呢？

文中似乎没有提到数据的存储是如何进行的，如果是人工操作STM，那岂不是离真正的可擦写和存储还有很大差异呢？

　　点击“阅读原文”，参加讨论