“變色龍”材料將成為電腦升級的關鍵

1月22日，美國德州農工大學的科學團隊發表文章聲稱研究人員已經在新電腦材料科學方面取得了新的進展，一種類似於變色龍的相變材料將成為下一代電腦的關鍵，它比今天的矽基材料更為強大。

眾所周知，現代電腦的基礎材料是矽晶圓（矽電晶體），矽基計算的現有模式給我們帶來一系列令人驚歎的技術和變革，但是工程師們發現矽材料已經到達了極限。例如這些年，我們民用電腦中央處理器CPU的主頻很難再得到提升，這是因為矽晶圓性能在20納米時就已經到達了極限，縮小再多的意義也就是降低功耗，性能的提升非常有限。於是近年來，CPU開始轉向多核架構優化，這也是雙核、四核、八核CPU出現的原因。

因此，對於電腦科學的未來發展，德州農工大學材料科學與工程系助理教授Patrick J. Shamberger認為，探索能夠以不同方式進行計算的替代材料是非常重要的。二氧化釩就是一個例子，這是一種非常有趣的，類似於變色龍的材料，可以很容易地在兩個不同的階段之間切換，在加熱，降溫或施加電壓時，可以從絕緣體到導體之間來回轉變。“如果你把這兩個階段想像成一個0和1的階段，你就可以想出一些有趣的新的資訊處理方法。”

團隊負責人Sarbajit Banerjee教授解釋說：“在二氧化釩可以用於計算之前，我們需要更好地控制從絕緣體到導體的轉換，然後再回來。在《材料化學》雜誌的一篇新論文中，該團隊描述了通過在材料中添加鎢來做到這一點。

二氧化釩是一種具有相變特性的功能材料，隨著溫度的變化，二氧化釩在68℃左右發生低溫半導體相到高溫金屬相的可逆相變，同時，其電阻率和透射率等物理性質也發生突變。這一特性目前在光電開關、光學記憶體、智慧窗等領域都有廣泛的應用。

不過，二氧化釩的相變溫度為68℃，在這一條件下，其相變應用範圍局限度非常的大，而目前已知可以降低相變溫度的最有效方法就是摻雜。中鎢線上曾多次介紹過，通過摻雜鎢能有效降低釩材料的相變溫度，改善二氧化釩的電學性能，降低電阻值，提高電阻溫度係數，目前，摻鎢是一種最有前途、最能有效降低氧化釩相變溫度的方法。

研究人員發現，鎢還可以使兩種截然不同的途徑發生轉變。其結果是從絕緣體到導體的過渡容易而迅速，而從導體回到絕緣體的過渡更為困難，這是使二氧化釩能成為電腦基體材料的關鍵，或從本質上來說，鎢的加入使得氧化釩在一個方向上快速切換，而在另一個方向上則更加緩慢，它等於提供了一個額外的'旋鈕'來調整你在電晶體兩極之間的來回。

該團隊還發現，加入鎢可以更好地控制或調整過渡發生的不同溫度。這種類似人造突觸的原理可以使電腦更像人類的大腦。Banerjee教授指出，這項工作具有跨學科性質，需涉及從計算材料科學到電子顯微鏡等四個專業領域， 他說：“我們想從不同的角度看待這個難題，試圖弄清楚到底發生了什麼，這真的非常令人興奮。”

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