Forskere gør tantaloxid praktisk til enheder med høj densitet

Forskere ved Rice University har skabt en solid-state hukommelsesteknologi, der giver mulighed for lagring med høj tæthed med et minimum af computerfejl.

Minderne er baseret på tantaloxid, en almindelig isolator i elektronik. Påføring af spænding til en 250 nanometer tyk sandwich af grafen, tantal, nanoporøst tantaloxid og platin skaber adresserbare bits, hvor lagene mødes. Styrespændinger, der skifter iltioner og ledige stillinger, skifter bits mellem etaller og nuller.

Opdagelsen af ​​Rice-laboratoriet af kemiker James Tour kunne give mulighed for tværbjælke-array-hukommelser, der gemmer op til 162 gigabit, meget højere end andre oxid-baserede hukommelsessystemer, der undersøges af forskere. (Otte bits er lig med en byte; en 162-gigabit enhed ville gemme omkring 20 gigabyte information.)

Detaljer vises online i tidsskriftet American Chemical Society Nano bogstaver .

Ligesom Tour-laboratoriets tidligere opdagelse af siliciumoxid-hukommelser, de nye enheder kræver kun to elektroder pr. kredsløb, gør dem enklere end nutidens flash-hukommelser, der bruger tre. "Men dette er en ny måde at gøre ultratæt på, ikke-flygtig computerhukommelse, " sagde Tour.

Ikke-flygtige hukommelser opbevarer deres data, selv når strømmen er slukket, i modsætning til flygtige computerhukommelser med tilfældig adgang, der mister deres indhold, når maskinen lukkes ned.

Moderne hukommelseschips har mange krav:De skal læse og skrive data med høj hastighed og holde så meget som muligt. De skal også være holdbare og vise god opbevaring af disse data, mens de bruger minimalt med strøm.

Tour sagde Rice's nye design, som kræver 100 gange mindre energi end nuværende enheder, har potentialet til at ramme alle mærkerne.

"Denne tantalhukommelse er baseret på to-terminalsystemer, så det hele er klar til 3-D hukommelsesstakke, " sagde han. "Og den behøver ikke engang dioder eller vælgere, gør det til et af de nemmeste ultratætte minder at konstruere. Dette vil være en reel konkurrent til de voksende hukommelseskrav inden for high-definition videolagring og serverarrays."

Den lagdelte struktur består af tantal, nanoporøst tantaloxid og flerlagsgrafen mellem to platinelektroder. Ved fremstillingen af ​​materialet, forskerne fandt ud af, at tantaloxidet gradvist mister iltioner, skifter fra en iltrig, nanoporøs halvleder i toppen til iltfattig i bunden. Hvor ilten forsvinder helt, det bliver til ren tantal, et metal.

Forskerne fastslog, at tre relaterede faktorer giver minderne deres unikke skifteevne.

Først, styrespændingen medierer, hvordan elektroner passerer gennem en grænse, der kan vende fra en ohmsk (strømmen flyder i begge retninger) til en Schottky-kontakt (strømmen flyder én vej) og tilbage.

Sekund, grænsens placering kan ændre sig baseret på ilt ledige pladser. Disse er "huller" i atomarrays, hvor oxygenioner burde eksistere, men lad være. Den spændingskontrollerede bevægelse af ilttomheder flytter grænsen fra grænsefladen tantal/tantaloxid til grænsefladen tantaloxid/grafen. "Udvekslingen af ​​kontaktbarrierer forårsager den bipolære switching, " sagde Gunuk Wang, hovedforfatter af undersøgelsen og en tidligere postdoc-forsker ved Rice.

Tredje, strømmen trækker oxygenioner fra tantaloxid-nanoporerne og stabiliserer dem. Disse negativt ladede ioner producerer et elektrisk felt, der effektivt tjener som en diode for at forhindre fejlforårsagende krydstale. Mens forskere allerede kendte den potentielle værdi af tantaloxid for minder, sådanne arrays er blevet begrænset til omkring en kilobyte, fordi tættere hukommelser lider af krydstale, der tillader bits at blive fejllæst.

Grafen virker dobbelt som en barriere, der forhindrer platin i at migrere ind i tantaloxidet og forårsage en kortslutning.

Tour nævnte tantaloxid-hukommelser kan fremstilles ved stuetemperatur. Han bemærkede, at kontrolspændingen, der skriver og omskriver bits, er justerbar, som tillader en bred vifte af koblingsegenskaber.

Wang sagde, at de resterende hindringer for kommercialisering omfatter fremstillingen af ​​en tæt nok tværstangsenhed til at adressere individuelle bits og en måde at kontrollere størrelsen af ​​nanoporerne.