“变色龙”材料将成为计算机升级的关键

1月22日，美国德州农工大学的科学团队发表文章声称研究人员已经在新计算机材料科学方面取得了新的进展，一种类似于变色龙的相变材料将成为下一代计算机的关键，它比今天的硅基材料更为强大。

众所周知，现代计算机的基础材料是硅晶圆（硅晶体管），硅基计算的现有模式给我们带来一系列令人惊叹的技术和变革，但是工程师们发现硅材料已经到达了极限。例如这些年，我们民用计算机中央处理器CPU的主频很难再得到提升，这是因为硅晶圆性能在20纳米时就已经到达了极限，缩小再多的意义也就是降低功耗，性能的提升非常有限。于是近年来，CPU开始转向多核架构优化，这也是双核、四核、八核CPU出现的原因。

因此，对于计算机科学的未来发展，德州农工大学材料科学与工程系助理教授Patrick J. Shamberger认为，探索能够以不同方式进行计算的替代材料是非常重要的。二氧化钒就是一个例子，这是一种非常有趣的，类似于变色龙的材料，可以很容易地在两个不同的阶段之间切换，在加热，降温或施加电压时，可以从绝缘体到导体之间来回转变。“如果你把这两个阶段想象成一个0和1的阶段，你就可以想出一些有趣的新的信息处理方法。”

团队负责人Sarbajit Banerjee教授解释说：“在二氧化钒可以用于计算之前，我们需要更好地控制从绝缘体到导体的转换，然后再回来。在《材料化学》杂志的一篇新论文中，该团队描述了通过在材料中添加钨来做到这一点。

二氧化钒是一种具有相变特性的功能材料，随着温度的变化，二氧化钒在68℃左右发生低温半导体相到高温金属相的可逆相变，同时，其电阻率和透射率等物理性质也发生突变。这一特性目前在光电开关、光学存储器、智能窗等领域都有广泛的应用。

不过，二氧化钒的相变温度为68℃，在这一条件下，其相变应用范围局限度非常的大，而目前已知可以降低相变温度的最有效方法就是掺杂。中钨在线曾多次介绍过，通过掺杂钨能有效降低钒材料的相变温度，改善二氧化钒的电学性能，降低电阻值，提高电阻温度系数，目前，掺钨是一种最有前途、最能有效降低氧化钒相变温度的方法。

研究人员发现，钨还可以使两种截然不同的途径发生转变。其结果是从绝缘体到导体的过渡容易而迅速，而从导体回到绝缘体的过渡更为困难，这是使二氧化钒能成为计算机基体材料的关键，或从本质上来说，钨的加入使得氧化钒在一个方向上快速切换，而在另一个方向上则更加缓慢，它等于提供了一个额外的'旋钮'来调整你在晶体管两极之间的来回。

该团队还发现，加入钨可以更好地控制或调整过渡发生的不同温度。这种类似人造突触的原理可以使电脑更像人类的大脑。Banerjee教授指出，这项工作具有跨学科性质，需涉及从计算材料科学到电子显微镜等四个专业领域， 他说：“我们想从不同的角度看待这个难题，试图弄清楚到底发生了什么，这真的非常令人兴奋。”（中钨在线：伟平编译）

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