英國採用3D列印技術成功創建出三維納米級磁路
關鍵詞：3D列印 三維納米磁路 數據存儲 數據傳輸 超低功耗
近期，英國劍橋大學研究人員創建了一個納米級磁路，可以在三維空間發送信息，打破了用於存儲和傳輸數據的傳統二維電路架構。該研究成果發表在ACS Nano雜誌上，據文章描述，在該磁路中，用於編碼信息的是電子的自旋特性——即量子力學性質，而不是電荷特性。
原理
據研究人員介紹，這種新型磁性電路有可能形成邏輯電路和存儲電路合併在一起的架構。這種合併架構可以減少邏輯操作過程中數據傳輸所需的能量，對於使用電池供電的應用，如行動電話或物聯網來說是一個福音。
在傳統電路中，電子被驅動到導通電路周圍，導通電路使用晶體管門極進行控制。電子流動方向取決於哪個晶體管是打開或關閉的，從而進行信息處理和存儲。電子在這種傳統結構中穿過材料時，會與導電通路中的原子碰撞，導致「電阻」。
文章作者DédaloSanz-Hernández解釋說：「標準電路和磁性電路系統之間的差異可以通過比較運動場上跑步的人和看台上的人群波這種簡單的方式顯現。在傳統的電路系統中，電子進行物理移動，像人們跑步一樣，沿途與障礙物碰撞。在磁性系統中，電子類似於人群的波動，不需要移動，而是以非常有效的方式與鄰居進行交互，從而傳遞信息。」
據文章合作者Amalio Fernández-Pacheco說，創建該磁性電路有兩個步驟：首先，使用極其精確的電子束印刷納米級三維支架。其次，通過諸如蒸發或濺射的傳統沉積方法將磁性材料置於該支架上。這樣，支架的3D形狀被轉移到磁性材料中，形成3D磁性納米電路。
具體而言，這裡使用的3D-納米印刷方法已經用於掃描電子顯微鏡（SEM）中，通過噴嘴在真空室內部注入氣體。在這個過程中，電子在精確的位置照射基片，固化氣體。
Fernández-Pacheco說：「掃描電鏡是完成這項任務的理想工具，因為它提供了高度聚焦的電子束，並且能夠高精度掃描光束。通過類似於標準3D印表機的工作方式移動光束，我們能夠在納米尺度上製造複雜的幾何圖形。」雖然製造電路的過程是創新性的，但關鍵的突破是生產一個功能性的3D納米磁路，並證明它可以三維傳輸信息。
圖 3D磁路的製備步驟。步驟1和2，電子顯微鏡和氣體注射器將支架印刷到硅襯底上。步驟3，腳手架被磁性材料覆蓋。步驟4，激光讀取結構內包含的磁性信息。
應用與計劃
據Fernández-Pacheco說，到目前為止，製造這樣的設備是不可能的，而且也沒有辦法來探測它的磁性。實現這些晶元能夠在下一代電子產品中應用，面臨的兩個主要工程挑戰。首先是是開發可擴展的3D納米製造技術，使每個電路的邊際成本隨著電路數量的增加而減少。其次是在實驗室中展示一個有競爭力的原型。 Fernández-Pacheco補充說：「我們剛剛創建了製造這些原型的工具，但是，我們的電路是通過施加外部磁場來使磁性數據運動，這對於當今的計算機來說是不切實際的。」如果能夠突破上述挑戰，那麼三維磁性電路最有前景的應用之一將是非易失性和低功耗內存及數據存儲設備。
Fernández-Pacheco和他的同事將嘗試結合了不同類型的磁性材料，開發具有更多功能的複雜原型，並集成可通過施加電流來移動磁性數據的電路。
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