當(dāng)今，電腦系統(tǒng)采用層次化存儲架構(gòu)：緩存、內(nèi)存和閃存。離CPU越近，對存儲器存儲速度需求越高，如內(nèi)存的速度為納秒級別，而緩存則需要皮秒級別。作為下一代存儲器的有力競爭者，相變存儲器的速度決定了其應(yīng)用領(lǐng)域，而相變存儲器速度主要由相變材料的結(jié)晶速度（寫速度）所決定。研究表明，相變存儲器的熱穩(wěn)定性越差，結(jié)晶速度越快，而單質(zhì)銻（Sb）是目前已知熱穩(wěn)定性最差的相變材料，可能具有最快的操作速度。

中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所宋志棠和朱敏研究團(tuán)隊首先通過分子動力學(xué)計算，發(fā)現(xiàn)單質(zhì)銻能夠在120 ps內(nèi)從非晶結(jié)構(gòu)中成核并進(jìn)一步完全結(jié)晶。通過制備200 nm、120 nm和60 nm T型下電級器件的單質(zhì)銻相變存儲器件，發(fā)現(xiàn)隨著器件尺寸減小，單質(zhì)銻相變存儲器的速度越快。200 nm 單質(zhì)銻器件最快的寫速度為359 ps（見圖1），當(dāng)器件尺寸微縮至60 nm時，寫速度為~242 ps, 比傳統(tǒng)Ge₂Sb₂Te₅的快近100倍（20 ns）。通過與已報道的相變存儲器的速度對比（見圖2），單質(zhì)Sb器件的速度明顯快于傳統(tǒng)Sb-Te、Ge-Te以及 Ge-Sb-Te基相變存儲器，其~242 ps的操作速度是目前相變存儲器速度的極限。此結(jié)果表明，通過選擇合適的相變材料，相變存儲器具備替代內(nèi)存甚至緩存的巨大潛力。

該工作在2023年1月31號以題為“Toward the Speed Limit of Phase Change Memory”發(fā)表在Advanced Materials上（10.1002/adma.202208065）。我所博士畢業(yè)生沈佳斌為第一作者（現(xiàn)為復(fù)旦博士后），上海微系統(tǒng)所朱敏研究員、宋志棠研究員和復(fù)旦大學(xué)周鵬教授為通訊作者，中科院上海微系統(tǒng)所為第一完成單位和通信單位。該工作得到中科院先導(dǎo)B（XDB44010200）、國家自然基金（61904046）、中科院人才計劃以及上海科技啟明星（21QA1410800）等項目的支持。

文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202208065

圖1 不同尺寸單質(zhì)銻相變存儲器的（A）器件結(jié)構(gòu)和（B）寫操作速度。

圖2單質(zhì)銻相變存儲器操作速度與已報道相變存儲器件的對比。