二氧化釩有記憶3小時特性將改變電子產品發展類人腦金屬可切換成絕緣體

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編譯／韋士塔 2022-10-15 10:00

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編譯／韋士塔

研究人員發現，二氧化釩（vanadium dioxide，VO2）能夠「記得」約3小時的外部刺激；這種化合物並沒有生命，也沒有接近大腦複雜度的結構，但是這種特殊的記憶效應，有可能影響未來的電子產品發展。

瑞士洛桑理工學院（EPFL）功率和寬頻電子研究實驗室（POWER lab）的博士生尼古（Mohammad Samizadeh Nikoo），意外發現二氧化釩結構中，具有一種獨有的記憶效應；這種電子產品常用的材料可以記住外部刺激，是第一種被發現具有這種特性的材料。

二氧化釩過去主要的應用領域是熱電材料，也就是把熱能轉為電能。科學家多年來不斷嘗試讓熱能有效率地使用，但在材料方面一直面臨瓶頸，因為熱電材料需同時具備導電好、導熱差的特性。一般導電好的材料，例如：金、銀、銅等金屬，導熱效果也較好，不適合作為熱電材料。後來，研究人員發現二氧化釩的電荷載子具導電卻不導熱的性質，為熱電材料帶來新契機。

近年來，科學家試圖以二氧化釩作為矽的替代材料，生產半導體。尼古表示，二氧化釩是具有「金屬─絕緣體相變」（Metal─insulator transition）的材料，在溫度68℃以上的環境，二氧化釩具有金屬特性，但在低於68℃以下的環境，則具有絕緣體特性，原因是其晶格結構發生了變化。

尼古原先的任務是研究二氧化釩產生相變時需要多長時間，但他在數百次測量中發現，這種材料可在消除外部刺激後立即恢復到絕緣狀態。

參與研究的電機工程師馬蒂歐里教授（Elison Matioli）解釋，他們測量變化時間時發現，二氧化釩的反應，彷彿能夠記憶最近的活動。他們把電流導入二氧化釩將其加熱，改變其狀態，也就是原子結構重新排列。當移除電流時，原子結構再次鬆弛，但他們再度施加電流，二氧化釩似乎會記得前一次的變化。

馬蒂歐里說：「我們並未預期見到這種記憶效果，且這與材料的帶電狀態無關，而是與材料的物理結構有關。這是一項嶄新發現。」

研究人員指出，這個反應類似大腦運作的方式，二氧化釩的記憶效應，類似於神經元。大腦的神經元同時扮演記憶體與處理器的角色，若能以二氧化釩開發仿神經型態科技的高性能電子設備，性能可能超越過傳統晶片與電路板。

尼古表示：「若能成功以二氧化釩的記憶效應研發出先進設備，在運算速度、縮小尺寸及耗能方面，都可能勝過傳統的金屬氧化物半導體電子產品，開發仿神經型態運算（neuromorphic computation）與多值記憶體（multilevel memories）。」

尼古在發表於《自然電子》（Nature Electronics）期刊的論文中表示：「若能成功操控材料的結構狀態，將可為超大規模低功耗設備鋪路。」

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