明尼苏达大学双城分校的研究人员领导的一项新研究为下一代电子产品(包括计算机中的内存组件)如何随着时间的推移而发生故障或性能下降提供了新的见解。了解性能下降的原因可能有助于提高数据存储解决方案的效率。

计算技术的进步不断增加对高效数据存储解决方案的需求。自旋电子磁隧道结(MTJ) 是一种利用电子自旋来改进硬盘、传感器和其他微电子系统(包括磁性随机存取存储器 (MRAM))的纳米结构设备，为下一代存储设备创造了有前途的替代方案。

MTJ 已成为智能手表和内存计算等产品中非易失性存储器的组成部分，有望用于提高人工智能的能源效率。

研究人员使用先进的电子显微镜观察了这些系统内的纳米柱，它们是设备内非常小的透明层。研究人员让电流通过设备来观察其运行情况。随着电流的增加，他们能够实时观察到设备如何退化并最终失效。

“实时透射电子显微镜 (TEM) 实验可能具有挑战性，即使对于经验丰富的研究人员也是如此，”论文第一作者、明尼苏达大学化学工程与材料科学系博士后研究员 Hwanhui Yun 博士说道。“但经过数十次失败和优化后，我们始终能够生产出可用的样品。”

通过这种方式，他们发现，随着电流的持续流动，器件的各层会逐渐收缩，导致器件发生故障。之前的研究曾对此提出理论，但这是研究人员首次观察到这种现象。一旦器件形成“针孔”(收缩)，它就处于退化的早期阶段。随着研究人员继续向器件中注入越来越多的电流，器件会熔化并完全烧毁。

“这一发现的不同寻常之处在于，我们观察到的燃烧温度比之前研究认为的要低得多，”论文的资深作者、明尼苏达大学化学工程与材料科学系教授兼雷·D·约翰逊和玛丽·T·约翰逊主席安德烈·姆科扬 (Andre Mkhoyan) 说道。“温度几乎是之前预期温度的一半。”

研究人员在原子尺度上更仔细地观察该装置，发现如此小的材料具有非常不同的特性，包括熔化温度。这意味着该装置将在与以往所知截然不同的时间范围内完全失效。

明尼苏达大学电气与计算机工程系杰出麦克奈特教授兼罗伯特·F·哈特曼主席王建平表示：“人们对在实际工作条件下(例如施加电流和电压)实时了解层间界面的需求很高，但以前没有人达到过这种理解水平。”

王先生补充道：“我们很高兴地说，团队发现了一些将直接影响我们半导体行业下一代微电子设备的东西。”

研究人员希望这些知识将来能够用于改进计算机存储单元的设计，以增加其寿命和效率。

除了 Yun、Mkhoyan 和 Wang 之外，团队还包括明尼苏达大学电气与计算机工程系博士后研究员 Deyuan Lyu、研究员 Yang Lv、前博士后研究员 Brandon Zink 以及亚利桑那大学物理系的研究人员。