5存储器设备发展之纳米存储

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1、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

2、原子，研制出原子级的硅记忆材料，其存储信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

3、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。

4、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。

5、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

6、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

7、进或者后退。如果将电压提升到1.75V，纳米颗粒更可以以1.4μm/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

8、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