211service.com
Ett steg mot supersnabbt kolminne
Grafen, ett platt ark av hexagonalt arrangerade kolatomer, kan transportera elektroner mycket snabbt. Detta har gjort det till ett lovande material för högradiofrekventa logiska kretsar, transparenta elektroder för flexibla platta bildskärmar och elektroder med hög yta för ultrakondensatorer.
Ettor och nollor: Genom att deponera ett ferroelektriskt material ovanpå grafen har forskare lockat grafen att hålla fast vid två olika nivåer av elektrisk ledningsförmåga, vilket skulle kunna fungera som bitar 1 och 0 i datorns minne.
Nu har forskare vid National University of Singapore gjort datorminnen med grafen. Detta är det första steget mot minne som kan vara mycket tätare och snabbare än det magnetiska minnet som används i dagens hårddiskar. Forskarna har gjort hundratals prototyper av grafenminnesenheter, och de fungerar tillförlitligt, enligt Barbaros Ozyilmaz , fysikprofessorn som ledde arbetet som presenterades vid ett nyligen genomfört möte i American Physical Society i Pittsburgh. Grafen kommer att förändra elektronikindustrin, säger han. Det som saknades var ett sätt att använda grafen som ett minneselement. Hittills fanns det nästan inget intresse eftersom det inte [troddes] genomförbart.
Nyckeln till att göra minneselement är ett material som kan ha två olika tillstånd. Det beror på att datorminne lagras som två bitar: 1 och 0. Hårddiskar måste också vara icke-flyktiga, vilket innebär att materialet ska kunna hålla fast vid dessa tillstånd utan att behöva ström. Dagens hårddiskar är gjorda av magnetiska koboltlegeringar, och de lagrar bitar som en av två magnetiska orienteringar av ett litet område på skivan.
Özyilmaz och hans kollegor kom på ett enkelt sätt att få grafen att hålla sina två olika nivåer av konduktivitet, eller resistans. Att växla mellan dessa nivåer kräver att ett elektriskt fält appliceras och tas bort. Forskarna lägger ett tunt lager av ett ferroelektriskt material ovanpå grafenet. Ferroelektrik har ett inneboende elektriskt fält, och pålägg av en spänning ändrar fältets riktning. Ferroelektrikens fält hjälper grafen att upprätthålla sin ledningsförmåga. Och, förklarar Özyilmaz, vi kan ändra polariseringen av det ferroelektriska, vilket i sin tur förändrar grafenets ledningsförmåga.
Den nya minnesidén är spännande eftersom den är väldigt enkel, säger Andre Geim , professor i fysik vid University of Manchester, Storbritannien, som först isolerade grafenark från grafit. Ferroelektrik är välkänd. Det är också känt att ett elektriskt fält ändrar grafens resistivitet med en faktor på typiskt 10. [Özyilmaz] kombinerar dessa två mycket välkända fakta.
Grafenminne skulle ha betydande fördelar jämfört med dagens magnetiska minne. Bitar kunde läsas 30 gånger snabbare eftersom elektroner snabbt rör sig genom grafen. Dessutom kan minnet vara tätare. Bitområdena på hårddiskar är för närvarande några tiotals nanometer i diameter. Vid densiteter på 1 terabit per kvadrattum kommer de att vara cirka 25 nanometer tvärs över, för små för att hålla magnetiseringsriktningen. Med grafen kan bitar krympa till 10 nanometer eller ännu mindre. Faktum är att minnesenheterna skulle fungera bättre med mindre grafenområden. Stanford University-forskare har visat att skärning av grafen i band som är några nanometer breda ökar skillnaden mellan dess två konduktivitetstillstånd.
De nya prototypminnesenheterna är dock rudimentära. Singaporeforskarna tar grafenflingor som är 2 mikrometer breda och placerar dem på kisel. Sedan deponerar de guldelektroder och lägger till ett toppskikt av ferroelektriken. Özyilmaz säger att enhetens avläsningstid är fem gånger snabbare än nuvarande magnetiska minne. Forskarna kan växla grafen mellan dess två konduktiviteter 100 000 gånger – praktiska minnesenheter går igenom miljontals cykler.
Detta är inte det första försöket att göra grafenminne. I augusti 2008 IEEE Elektronenhetsbokstäver paper, forskare vid det tyska nanoteknikföretaget KÄRLEK beskrev enheter som kan växla mellan två konduktivitetstillstånd med hjälp av ett elektriskt fält. Vi skulle kunna cykla 20 till 30 gånger, men inte tiotusentals gånger, säger fysikern Max Lemme, huvudförfattare till tidningen. Lemme spekulerar i att hydroxylgrupper och väte som är fästa på grafenytan lossnar när ström appliceras, vilket förändrar arkets ledningsförmåga. Varför grafenarken ändå bibehåller sin ledningsförmåga när strömmen är avstängd är inte väl förstått.
Geim, som var involverad i AMO-arbetet, säger att när man inte känner till mekanismen är det svårt att bedöma om man i princip kan göra denna mekanism tillförlitlig för att vara reproducerbar på många enheter på ett identiskt sätt. Med Singapore-forskarnas tillvägagångssätt känner vi dock till fysiken bakom och dess begränsningar. Med välkända grunder bakom det ser det ut som en mycket bra idé.