تراشه های حافظه ای بهتر، در نتیجه یک کشف بنیادی
پژوهشگران مهندسی از دانشگاه میشیگان راهی برای بهبود عملکرد مواد فروالکتریک یافته اند که دارای قابلیت ساخت افزاره های حافظه ای با ظرفیت ذخیره بیشتر نسبت به حافظه های مغناطیسی سخت و نیز سرعت نوشتاری سریع تر و طول عمر بلندتر نسبت به حافظه های فلش، است.
در حافظه های فروالکتریک جهت قطبش الکتریکی مولکول ها در نقش بیت 0 و 1 بکار می رود. از یک میدان الکتریکی برای تغییر قطبش استفاده می شود، که همان نحوه ذخیره داده است.
ژاکنیگ پان و همکارانش از دانشگاه کرنل، دانشگاه ایالت پن، و دانشگاه ویسکونزین، مادیسون، ماده ای طراحی کرده اند که بطور خود به خود تشکیل مارپیچ های نانو اندازه ای کوچک از قطبش الکتریکی در بازه های قابل کنترل می دهد. این مارپیچ ها می توانند در نقش جایگاه های طبیعی رویش برای سوئیچ قطبش ظاهر شوند و توان مصرفی مورد نیاز برای تغییر هر بیت را کاهش دهند.
این پژوهشگران برای اولین بار توانستند از قطبش مربوط به یک ماده با لبه تیز جهت تراشه‌های حافظه‌ای، در مقیاس اتمی نقشه‌برداری کنند
پان گفت: <<برای تغییر حالت یک حافظه فروالکتریکی شما مجبور هستید که میدان الکتریکی مورد نیاز برای سوئیچ قطبش در یک ناحیه کوچک را تأمین کنید. با ماده ما، دیگر نیازی به چنین عامل نیست. جایگاه های هسته زایی به طور ذاتی در فصل مشترک این ماده وجود دارند.
برای انجام این کار، مهندسان مذکور لایه ای از ماده فروالکتریک را روی عایقی که دارای شبکه های بلوری مشابه بود، قرار دادند. قطبش باعث برقراری میدان های الکتریکی قوی در سطح فروالکتریک می شود که مسئول شکل گیری خود به خود جایگاه های رویش به نام «نانو حوزه های گردابی» هستند.
این پژوهشگران همچنین توانستند از قطبش این ماده با دقت اتمی نقشه برداری کنند که با توجه به کوچکی مقیاس کار خیلی مشکلی بود. آنها از تصاویر گرفته شده از میکروسکوپ عبور الکترونی با قدرت تفکیک زیر آنگسترومی واقع در آزمایشگاه ملی لارنس برکلی، استفاده کردند. آنها همچنین یک نرم افزار پردازش تصویر برای انجام این کار تهیه کردند.
این پژوهشگران جزئیات نتایج کار تحقیقاتی خود را در مجله ی Nano Letters به چاپ رساندند.
ساخت تراشه حافظه مولكولی چگال به كمك فناوری‌نانو
محققان اعلام کرده‌اند که مدار حافظه جدیدی با استفاده از مولکول‌ها و سیم‌های نانومتری ساخته‌اند. این تراشه‌ها به اندازه‌ای که سازندگان تراشه برای تراشه‌های مورد نیاز در سال 2020 انتظار دارند، چگال می‌باشند. این مدار، صفرها و یک‌ها را از طریق کلیدزنی خوشه‌های مولکولی بین دو حالت، ذخیره می‌کند. این مدار، شامل 160000 بیت بوده که با چگالی 1011 بیت بر سانتیمتر مربع به هم فشرده شده‌اند. این تراشه‌ها حداقل 10 مرتبه از ریز تراشه‌های (micro Chip )موجود چگال‌تر می‌باشند.
برای ساخت چنین تراشه‌هایی، ضروری است که سازندگان تراشه به نحوه به کارگیری موادی غیر از سیلیکون مسلط شوند. این مسئله یک چالش بزرگ در فناوری محاسباتی (computing technology) است. اما مدارهای الکترونیکی‌ای که تاکنون ساخته شده‌اند، با استفاده از فناوری‌نانو کوچکتر می‌شوند.
هم اکنون محققان در حال بررسی سیستم‌های الکترونیکی نانومتری می‌باشند زیرا در حین افزایش چگالی به منظور رفتن به پنتیوم‌هایی با شماره بالاتر، همیشه نمی‌توان مدارهای سیلیکونی ساخته شده با سیم‌ها را فشرده‌تر ساخت. زیرا در صورت فشردگی بیش از حد و نزدیک شدن بیش از اندازه سیم‌ها به هم، الکترونها در بین سیم‌ها تبادل می‌شوند. این مسئله یک محدودیت فیزیکی برای چاپ مدارهای سیلیکونی به وجود می‌آورد.
ساخت یک مدار حافظه مجتمع بسیار چگال با استفاده از نانوسیم‌ها و مولکول‌ها
این گروه تحقیقاتی دو راهکار الکترونیک مولکولی (ترانزیستورهای ساخته شده از مولکول) و کراس بارهای (cross bar نانوسیمی که سیم‌های بسیار نازک متقاطع عمود بر هم می‌باشند را با هم ادغام کرد. برای ساخت ابزار مذکور، این گروه یک دسته 400 تایی از سیم‌های سیلیکونی که بسیار به هم فشرده شده بودند (تنها 33 نانومتر از همدیگر فاصله داشتند) را در مکان مخصوص خود نشاندند. سپس آنها را با یک لایه از مولکول‌های [2]rotaxane دمبل شکل، پوشش دادند. پس از آن، با پوشش دادن این لایه مولکولی با 400 سیم پلاتینی، یک شبکه متقاطع از سیم‌ها را ایجاد نمودند. به این ترتیب گروه‌هایی از مولکول‌ها که بین دو لایه از سیم‌های متقاطع قرار گرفته بودند، ساخته شدند. هر كدام از این گروه‌ها بین یك گره ( Node )كه از تقاطع دو سیم پلاتینی و سیلیكونی تشكیل می‌شد، قرار می‌گرفتند.
محققان برای کلیدزنی بین 0 و 1 یک ولتاژ مشخص به دو سر یک گروه مولکول در یک گره، اعمال کردند. این ولتاژ عمل کلیدزنی مولکول‌ها بین دو حالت را انجام می‌داد. هر مولکول [2]rotaxane در اطراف دسته دمبل دارای یک حلقه بود، ولتاژ اعمالی به مولکول‌ها باعث بالا و پایین رفتن حلقه می‌گردید و به این ترتیب رسانایی الکتریکی مولکول تغییر می‌یافت.
سیم‌های مذکور آنقدر به هم نزدیک بودند که این گروه نمی‌توانست الکترودهایی را برای اعمال ولتاژ به دو سیم منفرد (زیرا در هر گره تنها دو سیم وجود دارند) طراحی کند. به همین دلیل، این گروه عمل کلیدزنی را همزمان برای نه گره انجام دادند.
یكی از این محققان می‌گوید: "اتصالات مورد استفاده در این روش پس از حدود 10 بار کلیدزنی، شکسته و قطع می‌گردند. این مسئله نشان می‌دهد که هنوز در این زمینه کارهای زیادی باید انجام شود. علاوه بر این، این ملکول‌ها پس از حدود یک ساعت به حالت قبل از کلیدزنی بر می‌گردند و این ناپایداری برای ابزارهای حافظه یک مشکل محسوب می‌گردد. حافظه‌های فلش (flash) تجاری برای بیشتر از یک سال پایدار می‌باشند".
علاوه بر مشکلات مذکور عمل کلیدزنی بین حالت‌ها برای این مولکول‌های کند می‌باشد. وی می‌افزاید: "گرچه می‌توان این زمان را کم کرد اما سرعت مدارهای حافظه‌ای از این دست تنها با کلیدزنی یک مولکول تعیین نمی شود و تعداد زیادی از اتصالات به طور همزمان در آن تأثیر می‌گذارند. به همین دلیل سرعت این مدار یک دردسر بزرگ است. گرچه نمونه ساخته شده یک نمونه آزمایشگاهی خوب است اما برای رفتن به دنیای واقعی کارهای زیادی باید انجام شود".
نتایج این تحقیق در مجله Nature به چاپ رسیده است.
سلول حافظه‌ای کوچک با نانو روبان گرافنی
سلول حافظه‌ای جدید که از نانو روبان‌های گرافنی بسیار نازک ساخته شده است، توسط پژوهشگرانی از آلمان، سوئیس و ایتالیا پرده‌برداری شد.
یکی از مزایای مهم این سلول جدید آن است که می‌توان بسیار کوچکتر از سلول متداول سیلیکونی ساخته و به همین خاطر، منجر به تراشه‌های حافظه‌ای شود که چگالی ذخیره‌سازی بسیار بالایی نسبت به افزاره‌های سیلکونی دارند.
رومان سوردان از پلی تکنیک میلان و همکارانش با استفاده از نانوروبان‌های گرافنی یک سلول حافظه‌ای 10 نانومتری ساخته‌اند. در حقیقت، مساحت این سلول حافظه‌ای جدید آنقدر کوچک است که اجازه ذخیره‌سازی با چگالی بسیار بالا را می‌دهد.
این گروه تحقیقاتی نانوروبان‌های گرافنی خود را با رسوب نانو الیاف V2O5 بر روی گرافن و کنده‌کاری آن با باریکه یونی آ‌رگون تهیه کردند. این باریکه یونی هر گرافنی را که با این نانو الیاف محافظت نشده باشد، از جا می‌کند.
این روش ساده می‌تواند نانو روبان‌های گرافنی در زیر این نانو الیاف ایجاد کند، که در ادامه برداشته می‌شوند. مزیت استفاده از این نانو الیاف به عنوان ماسک کنده‌کاری در آن است که می‌تواند منجر به تولید نانو روبان‌های بسیار باریکی به پهنای کمتر از 20 نانومتر شود. یکی دیگر از مزایای نانوالیاف V2O5 در آن است که بعد از تشکیل نانوروبان‌ها می‌توانند براحتی زدوده شوند.
سوردان گفت: کافی است که شما نمونه را با آب بشورید که یک فرآیند بسیار ساده و دوست‌دار محیط زیست است.
این پژوهشگران پی بردند که با اعمال پالس‌های ولتاژ درگاهی با علامت‌های مخالف می‌توانند این افزاره را بین حالت‌های روشن (بیت 1) و خاموش (بیت 0) دیجیتالی سوئیچ کنند. همین که این افزاره سوئیچ می‌شود، می‌تواند در این حالت جدید بماند؛ حتی اگر ولتاژ درگاه صفر شود ؛ یعنی می‌تواند حالت خود را « به یاد داشته باشد ».
این پژوهشگران جزئیات نتایج پژوهش خود را در مجله‌ی Small منتشر کرده‌اند.
