發展智慧科技為全球趨勢，其中大數據是關鍵，海量資料的儲存更是極重要的環節。成大物理系楊展其助理教授與陳宜君教授帶領研究團隊，研發出相當罕見的光調控多元記憶材料－鐵酸鉍（BiFeO3），其特殊性在於一個儲存單元可以含有高達8種排列組合的記憶狀態，顛覆現行電腦一個儲存單元只有0與1兩種狀態的限制。多元記憶體概念未來發展將使得資料儲存空間大大擴增，初估至少較現行的記憶儲存基礎提高4倍儲存量。研究成果大受矚目，登上5月國際頂尖期刊 Nature Materials （自然材料）。
這種多元記憶的概念可在一個位元的面積上同時儲存N位元的資料，將摩爾定率的尺寸極限上進行了N倍的延伸，大幅提升硬碟與記憶體儲存資料的密度與效率，體積也能有效縮減，一旦廣泛使用，對資訊科技發展的影響不言可喻。全新的多元記憶材料，較現行的記憶儲存基礎提高4倍儲存量，體積縮減並連帶降低能源消耗。可以預見，多元記憶體概念進一步發展將使電腦更為輕巧，未來不再需要經常清空手機、電腦空間；個人行動裝置、筆電等資料儲存空間大幅擴增，等同個人的雲端站，不需要再額外租用雲端空間，將可能促使雲端租用價格下降。
楊展其指出，傳統硬碟與快閃記憶體材料因物理上的限制，為了提升儲存資料的密度，只能不斷縮小記憶體單元，目前記憶體單元製程微縮技術已進入奈米階段，終會達到極限，一定得設法突破，而這也是未來資訊科技持續發展的關鍵。若能掌握大容量、小型化、節能等儲存技術，再搭配高速運算，便能建立超高效能的計算平台，對於積極發展中的物聯網、人工智慧、雲端運算、大數據分析，都將帶來極正面的助益。
這項創新研究成果為楊展其、陳宜君帶領博士生劉懿德、吳沅致與碩士邱宇祐等成員，前後費時近2年時間共同完成。「能夠成功地研發出光調控多元記憶材料，突破性的思維很重要」。楊展其透露，至今沒有任何高密度記憶電子元件材料是採用光控制，團隊一開始，只是想研究能否以光去控制材料的功能性（例如改變電阻）。長期以來，科學界已知能透過外加的磁場或電場，去控制多鐵性材料鐵酸鉍的功能性，卻從沒研究過如何利用光來控制鐵酸鉍的多元特性，這也給了團隊新的思考方向─「沒想過不代表不能夠，還是大膽一試。」
成大物理系兼中心成員陳宜君教授
成大物理系兼中心成員楊展其副教授
成大團隊的研究，不只讓調控鐵酸鉍材料功能的選擇由磁場、電場，又新增了光調控，在元件設計上提供更多的自由度，大幅提高鐵酸鉍整體的應用性與價值。團隊一開始藉由先進的雷射分子束磊晶技術，將鐵酸鉍原本不易調控的菱方晶結構，設計成容易調控的單斜晶結構，以增加光調控材料功能的可行性。經過1年多不斷反覆實驗，終於突破性的做到讓鐵酸鉍材料可受光照控制。也發現，改變結構狀態的鐵酸鉍與未改變相較，對外加的電場或磁場反應更為靈敏。
具備鐵有序性的材料，很適合做為儲存資料的記憶媒介，團隊在鐵酸鉍上實現了光調控材料功能性的夢想後，又從實際上常遇到的資料儲存空間不夠用的問題，進一步探討，能否用光調控方式，在鐵酸鉍材料上非揮發式地儲存資料（即便不插電，記憶的資料也不流失）。不像以磁場、電場調控寫入資料得額外於材料上進行複雜的電路製程，用光調控直接就能將資料寫入儲存，可說「材料即是元件」。此外，鐵酸鉍的記憶單元理論上可縮小至數個原子層級，利用此類材料來儲存資料，記憶單元較電場、磁場控制的記憶單元更小，相同的空間能夠儲存更高密度的資料。
鐵酸鉍能夠大幅提升資料儲存密度，關鍵在於其「多鐵性」的特性。陳宜君指出，目前電腦硬碟所用的材料為磁性金屬薄膜，只有一個鐵有序性，儲存單元只有０與１兩種排列組合。鐵酸鉍的多種鐵有序性，含鐵電、鐵磁與反鐵磁有序，理論上每個儲存單元可以一次紀錄8種排列組合，本研究的特殊性在於可進一步用光調控這些多鐵性。由於光是交變的電磁波，因此在傳統經驗中，光無法對材料重複的寫入不同記憶組態。成大團隊的突破關鍵性技術，可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。
資料來源:成大新聞中心