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新近发现的相分离作用，为开发用于节能人工智能计算的存储器件提供了可能性。

研究人员发现，对于记忆电阻器，特别是电阻随机存取存储器（RRAM）中信息的长期保存而言，相分离和氧气扩散起到了至关重要的作用。这一发现挑战了先前关于保留能力有限的认知模型，并突显出其在节能人工智能和太空探索用硬存储芯片方面的潜在应用价值。

忆阻器的记忆机制

根据最近发表在《物质》科学杂志上的一项由密歇根大学领导的研究，分子的相分离行为，类似于油水分离，与氧气扩散共同作用，帮助记忆电阻器（一种利用电阻来存储信息的电子元件）即使在断电的情况下也能保持信息存储。

由于先前的模型和实验结果不匹配，记忆电阻器如何在无电源供应的情况下保留信息，即所谓的非易失性存储器的原理尚未完全明了。

调查长期数据保留能力

该研究的第一作者、密歇根大学材料科学与工程专业的博士研究生李景贤指出：“尽管实验表明设备可以超过10年的时间保留信息，但社区使用的模型预测信息只能保留几个小时。”

为了深入理解驱动非易失性忆阻存储器的潜在现象，研究人员专注于一种被称为电阻随机存取存储器或RRAM的设备，这是经典计算中使用的易失性RAM的替代品，在节能人工智能应用中特别有前景。

发现相分离的关键作用

研究中涉及的特定RRAM是一种灯丝型价态变化存储器（VCM），在两个铂电极之间夹有绝缘钽氧化物层。当向铂电极施加一定的电压时，形成的导电钽离子桥穿过绝缘体到达电极，使电池处于低电阻状态，表示二进制代码中的“1”。若施加不同的电压，返回的氧原子与钽离子反应时，灯丝会溶解，使导电桥“生锈”并返回高电阻状态，表示二进制代码“0”。

人们曾认为，RRAM之所以能够长时间保存信息，是因为氧气扩散速度过慢。然而，一系列实验表明，先前的模型忽略了相分离的影响。

影响及应用展望

密歇根大学材料科学与工程助理教授、该研究的资深作者李益阳说：“在这些装置中，氧离子倾向于远离灯丝，即使经过一段不确定的时间也不会扩散回来。这个过程类似于水和油混合物不会混合的现象，无论等待多久，因为它们在非混合状态下的能量较低。”

为了测试信息的滞留时间，研究人员通过提高温度来加快实验进程。在250℃下工作一小时相当于在85℃下工作100年——这是计算机芯片的典型温度。

技术进步与未来展望

借助于原子力显微镜的高分辨率成像技术，研究人员对仅有大约5纳米或20个原子宽的细丝进行了成像，这些细丝在1微米宽的RRAM设备中形成。

“我们很惊讶能在设备中找到灯丝。这就像是大海捞针一样，”李说。

研究小组发现，不同尺寸的细丝产生了不同的保留行为。小于5纳米的细丝随时间推移而溶解，而大于5纳米的细丝则随时间增强。这种基于尺寸的差异不能仅以扩散来解释。

结合热力学原理的实验结果和模型表明，导电细丝的形成和稳定性取决于相分离。

研究小组利用相分离技术，将记忆保存时间从一天延长到10年以上，这是一种可用于太空探索、能承受辐射暴露的存储设备。

其他应用包括用于更节能的人工智能应用的内存计算，或用于电子皮肤的存储设备——一种旨在模仿人类皮肤感觉能力的可拉伸电子接口。这种材料也被称为电子皮肤，可用于为假肢提供感官反馈、制造新的可穿戴健身追踪器，或帮助机器人开发触觉以完成精细任务。

李益阳表示：“我们希望我们的发现能够激发出使用相分离来制造信息存储设备的新方法。”