Исследователи из Rice University (USA) разработали ячейку памяти на основе диэлектрических наностержней, покрытых тонкими графеновыми слоями (рис. 1).

Рис. 1. Схема устройства.

Ученые изготовили нанокабели с сердцевиной из SiO2 и тонкой графитовой оболочкой толщиной 5-10 нм (рис. 2).

Рис. 2. Фрагмент нанокабеля (ПЭМ).

Оказалось, что они обладают нелинейной вольт-амперной характеристикой. При низких значениях напряжения проводимость нанокабелей довольно высока, и сила тока монотонно растет с увеличением напряжения, а при некотором пороговом значении напряжения Vпорпроисходит резкий переход в непроводящее состояние (рис. 3).

Рис. 3. I-V зависимость для нанокабеля.

Кроме того, устройство обладает эффектом памяти, т.е. его ВАХ зависит от того, в каком состоянии – проводящем или нет – оно находилось ранее (рис. 4). Так, если нанокабель перевести в непроводящее состояние импульсом более Vпор, то проводящее состояние восстанавливается лишь при некотором значении напряжения V2008/12/02/nanoelektronika_54742/XPROP_IMG_images_5/5.jpg[/img]
Рис. 4. Последовательность сканов, иллюстрирующая эффект памяти.

Из этого вытекает простой вывод – на основе таких нанокабелей можно сделать ячейку памяти, в которой нулям (выкл) и единицам (вкл) будут соответствовать состояния с низкой и высокой проводимостью. Тогда считывание, запись и стирание информации можно проводить импульсами напряжения, лежащими в соответствующих областях на рисунке 5. Более 1000 циклов записи-чтения-стирания никак не повлияли на сохранность данных. Таким образом, устройство является энергонезависимой ячейкой памяти. Отношение сигнала в состояниях «вкл» и «выкл» достигает 10^7.


Рис. 5. Логарифмическая I-V зависимость для нанокабеля. Отмечены области для считывания, записи и стирания информации.

Испытания показали, что данные могут храниться по крайней мере несколько недель. И хотя запись и считывание проводились в вакууме, устройство стабильно на воздухе и даже при облучении рентгеновскими лучами (рис. 7). Типичные времена записи/стирания составляют 1 мс. Однако можно использовать импульсы вплоть до 1 мкс, хотя при этом сильно снижается соотношение «вкл/выкл». Кроме того, ячейка является двухконтактной, что предпочтительнее по сравнению с элементами памяти на транзисторах, где еще должен обязательно присутствовать электрод затвора.

Рис. 6. Циклическое переключение нанокабеля. Импульс 4 В переводит кабель в проводящее состояние, а 8 В - в непроводящее. Длительность импульсов 1 мс.


Рис. 7. Сохранность данных в течение 15 дней. Устройство стабильно на воздухе, а также при облучении рентгеном (8 кэВ).

Исследователи приводят следующее объяснение таких свойств нанокабелей. При некотором значении напряжения происходит разрушение графитовой оболочки в местах расположения дефектов. Аналогичные явления наблюдаются, например, для многостенных углеродных нанотрубок. Только нанотрубка, не имеющая армирующей сердцевины, разрушается необратимо. А на поверхности нанокабеля кусочки разорванных графитовых слоев могут оставаться достаточно близко друг к другу, чтобы при приложении аксиального электрического поля притянуться и замкнуть цепь (рис. 8). Таким образом, графитовая оболочка работает по принципу наноэлектромеханической системы (НЭМС), в которой перемещение графеновых листов происходит в масштабах, сравнимых с размерами атомов.

Рис. 8. Схема переключения нанокабеля. Дефект в графитовой оболочке работает по принципу НЭМС.

Так как в традиционных производственных схемах устройства на основе нанокабелей пока не фигурируют, исследователи также изготовили и планарные структуры, работающие по аналогичным принципам. Для этого можно применять обычный метод CVD, что положительно сказывается на стоимости изделия.

Уже можно предположить, что описанные ячейки могут послужить для создания устройств хранения информации, в которых размер графеновых битов составляет менее 10 нм. Такая память будет энергонезависимой и достаточно надежной. Она сможет функционировать при температурах от -75 до 200 °С, а также выдерживать рентгеновское излучение.

Источник
02 декабря 2008