突破全球！成大團隊研發光控多位元記憶體 – 自由時報發佈於2019年5月22日
先來認識幾個名詞：
1. 新聞中提及的「鐵電」是指鐵電性（Ferroelectricity），利用這種性質所製作的鐵電隨機存取記憶體（FRAM）兼具隨機存取記憶體（Random Access Memory；RAM）和唯讀存儲記憶體（Read-Only Memory；ROM）的特性，在系統停止電力供應的情況下，FRAM所儲存的資料尚能持續保存。若與傳統ROM比較，FRAM的運作功耗相對較低，僅為EEPROM(Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory)的0.01左右，寫入效能遠遠超越EEPROM，甚至還可與動態隨機存取記憶體(Dynamic Random Access Memory；DRAM)、靜態隨機存取記憶體(Static random-access memory；SRAM)的高速寫入效能相抗衡
2. 「鐵磁」是指鐵磁性（Ferromagnetism），鐵磁性物質則包括鐵、鈷、鎳及其化合物與合金等材料，鐵磁性物質的主要特性是其具有很大的磁化率，比如硬碟的碟片上之薄膜為鈷鉻鉑合金。1988年，法國巴黎大學的Albert Fert教授和德國的Peter Grunberg博士各自獨立發現了由鐵和鉻組成的多層結構中存在著巨磁電阻效應（Giant Magnetoresistance，GMR），磁阻效應是指材料之電阻隨著外加磁場的變化而改變的效應，而「巨磁電阻」則是表示這種磁電阻變化效果非常顯著。該效應隨後被運用在機械硬碟的讀取頭，以巨磁電阻多層膜所製造的讀取頭經過不同磁矩方向的磁區時，多層膜上便可測得極大的電阻變化，使磁頭對硬碟片的磁感應靈敏度大大增強，從而造成讀取速度得以大為提升。2007年，諾貝爾物理學獎被頒發給了做出這項重大發現的Albert Fert和Peter Grunberg
順便瞭解一下影片中提及的磁阻式隨機存取記憶體（Magnetoresistive Random Access Memory，MRAM），MRAM除了兼具非揮發性、省電、處理速度快，以及可重複讀寫特性之外，記憶密度也非常高，可望在不久之後成為新世代的記憶體元件
影片中的清大賴志煌教授更以電子自旋流操控MRAM的磁性而創下全球首例 → 台灣記憶體獨步全球：MRAM 技術瓶頸被清大團隊突破啦！
3. 反鐵磁性（antiferromagnetism）：與鐵磁性一樣，其微小磁矩在磁疇內排列整齊，不同的是在這些材料中，反平行排列相互對立。
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溫度愈低，其內部的這種排列愈明顯。當溫度升高，因受到熱擾動的效應影響，使得磁矩的排列開始變得混亂，不再是反平行排列時，材料便從反鐵磁性轉變成順磁性，這一個變換的特徵溫度稱為奈爾溫度（Néel temperature）。
4. 多鐵性（multiferroic）是指在某一特定溫度以下，材料同時擁有兩種以上的有序鐵性。這些有序鐵性，包含了鐵電性、鐵磁性、鐵彈性(ferroelastic)、鐵環體(ferrotoroidic)等鐵性。目前已有多種材料被發現，比如六方鈣鈦礦結構的 RMnO3 (R=Y, Sc, In, Ho, Er, Tm, Yb, Lu)、方硼鹽 M3B7O13Cl (M=Fe, Co, Cr, Mn, Cu)、正交晶系的 BaMF4 (M=Fe, Co, Ni,Mg, Mn, Fe, Co, Ni, Zn)等。其中具代表性的是 YMnO3 (反鐵磁奈爾溫度 70～130 K， 鐵電居禮溫度 570～990 K)；BiMnO3 (奈爾溫度約 100 K，居禮溫度約 450 K)；新聞中提及的鐵酸鉍 BiFeO3，其鐵電居禮溫度820 ℃與反鐵磁奈爾溫度370℃都遠高於室溫，因此在室溫下即具有多鐵性。鐵酸鉍也是目前實驗上所能夠實現具有最大鐵電極化的材料，材料內具有自發極化的電偶極矩與電子自旋排列方向，其中鉍離子的6s孤對電子提供了鐵電序，鐵的3d過渡金屬電子則提供了自旋序（磁），加上在奈爾溫度以下時可以形成反鐵磁有序的特性，這3種有序狀態組合起來就是23的8組資訊於一個記憶單元中，因此是當前多鐵材料研究的當紅炸子雞，具有廣闊的應用前景。
成大研究團隊開發的光控技術是利用光照產生的局部形變進而控制鐵酸鉍中的多位元記憶組態，a圖是以532 nm雷射透過可衰減調節的中性密度濾光片（ND濾光片）作為對材料精確控制的光源；b圖是混合相鐵酸鉍薄膜的形貌圖像，白色方塊表示照明區域；c圖則是照光後同一區域的圖像，顯示出四方相鐵酸鉍（T-BFO）與菱形相鐵酸鉍（R-BFO）的相變形貌。圖中呈現黃色的平坦區域是T-BFO，深色條紋的不規則分佈則是混合T-BFO和R-BFO的區域，從條紋狀的消失可以證實混合相中的光誘導變化確實可以發生
下圖中的 c、d 顯示照光後會產生極化方向的改變，箭頭代表平行/反平行的鐵磁矩，輻射橙色箭頭則表示有效的撓曲電場，其將熱載流子從光激發區域漂移到照射邊界
下圖顯示出位於藍色圓圈與紅色三角形的區域可以分別在T-BFO與混合相之間反覆轉換，照明中心先照射藍圈區域作為第一步（State 1），然後移向紅色三角形（State 2），最後再返回藍圈區（State 3）。可以看出鐵酸鉍在藍點處經歷了從純T-BFO到混合相的演變，然後再回到純T-BFO形態。反之，紅色三角形區域則從混合相演變為純T-BFO再返回混合相。這暗示著記憶單元內的資料可以被消除與重新寫入
這項研究結果成功的證明了在室溫環境下多鐵性鐵酸鉍的非揮發性和光學控制的確定性，並且是無須焊接電線的非接觸式外部控制，也無需輔助施加電場或磁場。這項多鐵性的光學控制技術不僅提供有效的定製鐵素體的方法，同時也確定了重要應用的明確方向，比如非揮發性隨機存取記憶體和存儲記憶體。
資料來源：Deterministic optical control of room temperature multiferroicity in BiFeO3 thin films