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1、5存储器设备发展之纳米存储五、存储器设备发展之纳米存储 传统的半导体工艺技术已逐渐逼近物理极限，难以大幅度提高存储器的性能。要想有突破性的进展，就必须另辟蹊径，寻找新的原理和方法。目前，一些正在研究和开发的面向新世纪的存储新技术与相应的新型存储器，为未来的信息存储技术带来了一束希望之光。 （1）1998年，美国明尼苏达大学和普林斯顿大学制备成功量子磁盘，这种磁盘是由磁性纳米棒组成的纳米阵列体系。一个量子磁盘相当于我们现在的10万100万个磁盘，而能源消耗却降低了1万倍。 （2）2002年9月，美国威斯康星州大学的科研小组宣布，他们在室温条件下通过操纵单个原子，研制出原子级的硅记忆材料，其存储信

2、息的密度是目前光盘的100万倍。这是纳米存储材料技术研究的一大进展。该小组发表在纳米技术杂志上的研究报告称，新的记忆材料构建在硅材料表面上。研究人员首先使金元素在硅材料表面升华，形成精确的原子轨道；然后再使硅元素升华，使其按上述原子轨道进行排列；最后，借助于扫瞄隧道显微镜的探针，从这些排列整齐的硅原子中间隔抽出硅原子，被抽空的部分代表“0”，余下的硅原子则代表“1”，这就形成了相当于计算机晶体管功能的原子级记忆材料。整个试验研究在室温条件下进行。研究小组负责人赫姆萨尔教授说，在室温条件下，一次操纵一批原子进行排列并不容易。更为重要的是，记忆材料中硅原子排列线内的间隔是一个原子大小。这保证了记忆

3、材料的原子级水平。赫姆萨尔教授说，新的硅记忆材料与目前硅存储材料存储功能相同，而不同之处在于，前者为原子级体积，利用其制造的计算机存储材料体积更小、密度更大。这可使未来计算机微型化，且存储信息的功能更为强大。（3）碳纳米管存储结构初探 如果我们告诉你，有一种技术能让我们的存储密度达到每平方英寸1Tbits，然后存储介质寿命达到10亿年，你可千万别以为我们在痴人说梦，又或者在介绍火星科技，这一切不过是纳米技术的功劳。 近期加州大学伯克利分校、劳伦斯伯克利国家实验室发表的纳米可逆信息存储技术的论文中显示，他们已经找到了一种可以大幅提高现有存储密度和存储寿命的技术。他们通过纳米机械组装出了极为牢固可

4、靠的纳米存储元件，轻松实现了存储密度和存储寿命的爆发性增长。纳米粒子在纳米管中运动以实现数据存储。整个纳米管有200纳米长度，带有两端电极。将纳米颗粒封装入碳纳米管，然后通过移动纳米颗粒来存储数据，通过检测纳米颗粒位置来读取数据，同时在1平方英寸的面积下堆放1百万兆个碳纳米管，从而构建出每平方英寸存储密度高达1Tbit，存储时间超过10亿年的介质。 根据他们设计的原型，这种纳米存储元件可以在低电压双端电极下实现信息的读取和写入。更重要的是，这种纳米元件可以直接通过现有的硅半导体工艺进行生产，由于生产过程中所使用的纳米机械完全封闭，所以整个过程可以轻松杜绝各种污染。虽然原理简单易懂，但是要实现起

5、来，可就异常复杂。根据施加电压的不同，纳米粒子的运动速度也大不相同。而通过变换电流方向，则能左右纳米粒子的移动方向。 在存储单元的内部结构上，纳米存储器实际上就是一个将纳米颗粒封装到多层碳纳米管之中的异质纳米存储结构。要制造它，我们需要让纳米颗粒和纳米管在1000高温下穿过氩气和处于高温分解状态的二茂铁之中，然后再通过超声波振动将包含有纳米颗粒的纳米管扩散到聚丙烯基板上。纳米管如何读写数据？ 纳米颗粒可以在纳米管内部通道中向前或者向后移动，通过感知纳米颗粒的位置，就能确定纳米存储单元的逻辑状态，从而实现信息的存储。在之前的研究中，加州大学伯克利分校、劳伦斯伯克利国家实验室已经验证过不同几何形状

6、的纳米颗粒在富勒烯的帮助下被封装到碳纳米管内部后的运行状况，这些纳米颗粒能正常的“前”“后”活动以进行信息的存储。 要推动纳米颗粒向前，需要电迁移效应的帮助，只需要1.55V的电压，就能让纳米颗粒以1nm/s的速度前进或者后退。如果将电压提升到1.75V，纳米颗粒更可以以1.4m/s的速度移动。和纳米领域经常使用的肌球蛋白马达相比，纳米管中的纳米微粒的移动速度高出前者整整4个数量级。在实验中人们更获得了最高2.5cm/s的极速。纳米颗粒在显微镜下观测，颗粒移动至左端代表数据0，移动至右端代表数据1。 如果只是让纳米微粒随意移动，要实现存储也相当困难。所幸的是，根据加电时间长短，纳米微粒在纳米管

7、中能提供阶段级的移动。当我们将2V电压以20纳秒的速度施加时，纳米微粒移动的距离正好是3纳米。这样一来，我们只要掌握电流强度和通电时间，就能精确移动纳米微粒。通过脉冲电流，更可以让纳米微粒持续地运动。纳米存储单元通过改变电压写入0或者1数据 和传统的肌球蛋白运动每个脉冲行程36纳米相比，新的方法显然更加精确可靠。在用作存储数据的时候，我们可以把纳米管的左边定义为0，右边定义为1，这样就能通过脉冲快速改变纳米颗粒的变化，从而实现数据存储。此时通过电子显微镜观测，可以发现纳米颗粒的位置逻辑状态和写入电压有着完全一致的关联。 用电流控制纳米微粒在纳米管中的位置实现信息存储，那读取的时候怎么办？用实验

8、室的电子显微镜显然不切实际。毕竟电子显微镜是一种成像设备，我们要读取数据只要知道纳米颗粒在纳米管中的具体位置即可，完全无需获得精确的图片。为此研究小组希望通过双端电极来实现纳米管的数据读取。他们首先发现纳米管中纳米颗粒的不同，将会引起纳米管轴向电阻的显著变化。因此只要为纳米管施加非常微小的电脉冲，就能通过测量电阻变化来确定纳米颗粒的位置。由于电脉冲的电压很小，因此并不会驱动纳米颗粒，导致位置的改变，存储在纳米管中的数据，自然相当安全。 整个纳米管的电阻变化，也因此产生了一致性。换句话说，纳米存储单元中用电压控制纳米颗粒的位置变化写入数据后，将会直接导致电阻变化。也正因为如此，人们才能轻易的在纳

9、米管上写入读取数据。 在整个装置中，最关键的一点在于如何让这些纳米颗粒能轻松地被人们所随意移动，以及如何无损的在不影响纳米颗粒位置状态的情况下获得它们的精确定位。更重要的是，研究人员还希望能找到简单直观的移动和检测纳米颗粒位置的方法要是动辄就要动用电子显微镜，那这样的存储设备注定无法走出实验室。 纳米管存储有多可靠？ 在验证模型上，研究组对纳米管写入了101010数据，每写入一次，连续读取4次。然后将读取出来的数据对照电子显微镜中的图像，来判断是否正确。事实证明，通过微扰原理读取数据是相当安全的，纳米微粒的位置也和预想中的完全吻合。同时值得一提的是，由于纳米管是完全密封的结构，只借助电磁力改变

10、纳米颗粒的状态，因此这样的存储设备能够在不同的磁场中正常工作。 为了进一步验证纳米管存储的可靠性，实验小组还进行了更为复杂的测试。在常温下让纳米管中的铁纳米粒子移动足够的距离，直到信息出现丢失，这样的距离大约是200纳米左右，不过是头发直径的二百分之一。同时碳纳米管具有良好的力学性能，抗拉强度达到50GPa200GPa，至少比常规石墨纤维高一个数量级，是钢的100倍，密度却只有钢的1/6。它的弹性模量可达1TPa，与金刚石的弹性模量相当，约为钢的5倍。对于具有理想结构的单层壁的碳纳米管，其抗拉强度约800GPa。碳纳米管的结构虽然与高分子材料的结构相似，但其结构却比高分子材料稳定得多。所以，纳

11、米存储技术的可靠性也绝非传统磁盘光盘能比拟。在常温下纳米管所能保持信息的时间超过3.31017秒。对于单个存储单元来说，这样的寿命意味着在10亿年内无需担心数据丢失。这几乎一劳永逸地解决了数据保存问题。尽管纳米存储技术在存储可靠性和密度方面都有着压倒性的优势，但是我们依然无法指望能在2年内从市场上买到基于这种存储技术的硬件。这主要是因为当今碳纳米管的价格依然昂贵，无法通过大规模生产降低成本。除此以外，纳米存储设备的控制器该如何设计，也成了科学家所面临的巨大挑战。我们预计，在未来5年内仍然是半导体、光磁存储垄断的时代。 作为近乎完美的存储技术，纳米存储一旦消灭了成本、批量生产和控制器的拦路虎，所

12、爆发出的力量将会是前所未有的。届时我们电脑中的存储设备也许会以PB为单位计算，而因存储介质损坏导致数据丢失的烦恼也将远离我们。（4）、存储单元密度更高的石墨烯存储器发展现状 2009年，R i c e大学研究人员正在着手研究一类存储单元密度至少为闪存两倍的石墨烯片状存储器。石墨烯是由没有卷成纳米管的纯炭原子薄膜构成，在此之前石墨烯已被用于IBM的超快速晶体管原型产品及其它领域。此次，R i c e大学研究人员首次将石墨烯用于架构更简单的双端存储器件。R i c e大学研究人员表示，与晶体管三端器件不同， 他们所研发的石墨烯存储器单元仅有两个端子，通过在存储单元两端加不同电压就可以完成对存储单元

13、的读写或删除。 在实验过程中，通过加3.5 V的电压来断开石墨烯片之间的连接通道可清空存储内容。一个1V的信号允许电路将控制存储单元，决定其处在导通”或“闭合”状态。目前尚不知这一操作的确切机理，但研究人员的最佳猜测是由擦除电压所导致的机械开路场会由写信号修复。 其它非易失性存储技术的闭合一断开电流比只能达到100：1甚至10：1，而采用石墨烯片能将闭合一断开电流比做到10000100 00 00：1，这样石墨烯片存储器的位单元可紧凑地放置在一起并且能将导致存储器发热的漏电流做到非常小。 2011年2月，新加坡国立大学研究所的研究人员制成了采用铁电控制栅的石墨烯场效应管，使石墨烯器件有可能用于

14、制造非易失存储器。利用近藤效应制作磁性石墨烯2011年4月，美国马里兰大学的研究人员最近发现，在石墨烯晶格中人为地、有控制地引人晶格缺陷，可以产生局部磁场，这些磁场对传导电子散射几率的影响类似于参杂金属晶体中产生的近藤效应。研究人员希望这一发现使得石墨烯可以被用来制造磁传感器和磁阻随机存储器。三星等计划利用石墨烯实现“在大面积柔性基板上制造三维存储器”2011年6月，美国加州大学和韩国三星电子开发出了在大面积柔性基板上集成三维层叠型存储器的基本技术。通过在把电荷积聚在绝缘膜上的捕获型存储器的沟道上采用石墨烯，在柔性基板上形成了能够三维层叠的高性能非易失性存储器。此次，采用石墨烯薄膜的转印工艺，

15、在基板上制作了具备石墨烯沟道的存储单元，发现能够确保足够大的工作窗口。 现已提出的三维存储器方案，其构造多为在Si基板上三维层叠使用多晶硅沟道的存储单元。东芝作为后NAND闪存正在开发的电荷捕获型三维存储器“BiCS”就是其中的一例。据三星的开发小组介绍，东芝的三维存储器主要存在两个课题。第一，沟道材料因采用多晶硅，难以充分提高工作速度等性能。第二，因多晶硅的退火处理等要在高温下进行，在耐热性差的柔性基板上难以形成。其结果是，目前基板材料只能使用300mm的硅晶圆。 三星的开发小组表示，在电荷捕获型存储器的沟道上采用石墨烯，能够克服上述问题。首先，石墨烯的载流子迁移率高，因此工作速度高的存储单

16、元容易实现。其次，通过采用石墨烯的转印工艺，能够在250以下的低温下形成存储单元。因此优势在于，可以采用与平板显示器（FPD）相似的制造工艺，在大面积柔性基板上制作三维存储器。 开发小组此次在基板上形成了栅极电极采用Ni、沟道采用单层石墨烯、电荷存储层采用、沟道绝缘膜采用的存储单元，并评估了其特性。得到的工作窗口宽达9.3V，足以用于非易失性存储器。 传统的半导体工艺技术已逐渐逼近物理极限，难以大幅度提高存储器的性能，越来越难以满足人们对存储器的要求，要想有突破性的进展，就必须另辟蹊径，寻找新的原理和方法。具体来说，第一是因为传统半导体存储器存在容量小数据易丢失等弊端。第二是因为现代化信息爆炸社会迫切要求新型的大容量存储器的出现。第三因为是人们对信息存储的安全性要求越来越高。最后，假如纳米存储技术能够实现的话，届时我们电脑中的存储设备也许会以PB为单位计算，而因存储介质损坏导致数据丢失的烦恼也将远离我们。所以我觉得：要是可能的话，以石墨烯为介质的存储器，应该是一个可以的研究方向吧？